De la Terre aux étoiles

Auteur: François Hammer

La Terre dans le Système Solaire

La Terre est une des quatre planètes dites telluriques du système solaire, c’est-à-dire une planète essentiellement rocheuse avec un noyau métallique. Son rayon moyen est de 6371 km et elle tourne autour du Soleil avec une vitesse de près de 30 km/s. L'image ci-dessous démontre la petite taille relative de la Terre par rapport aux planètes géantes gazeuses, et encore plus par rapport au Soleil. L'image ci-contre montre à quel point l'atmosphère terrestre est ténue comparée au diamètre terrestre.

La Terre et son atmosphère vue de l'espace
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Montage d'une image montrant la Terre vue de la Lune (Apollo 17) au-dessus de laquelle a été inséré le zoom de l'image d'un lever de Soleil observé de la station spatiale.
Crédit : NASA
Tailles comparées des planètes et du Soleil
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Comparaison de la taille du Soleil, avec celles des planètes, depuis Mercure à Neptune (de gauche à droite).
Crédit : NASA

La planète Terre est de taille modeste surtout comparée au Soleil. Sa couche atmosphérique est particulièrement ténue !


Exercices : la Terre et les planètes

exercicePlanètes

Difficulté :   

Question 1)

Mentionner les 8 planètes du système solaire, par ordre croissant de distance au Soleil.

Question 2)

Le rayon du Soleil est de 696 000 km. L'épaisseur de l'atmosphère respirable par l'homme (troposphère) est de 10 km, la stratosphère qui inclut la couche d'ozone atteint une altitude de 50 km. Calculer le rapport de la taille du Soleil sur celle de la Terre, puis le rapport de la taille de la Terre sur celle de la troposphère et de la stratosphère. Commentez ces chiffres.

exerciceForces et orbites

Difficulté : ☆☆  

Question 1)

Pourquoi la vitesse de Jupiter autour du Soleil (qui est de 13 km/s) est inférieure à celle de la Terre ?


Les voyages des sondes interplanétaires

Depuis les années 1970, l'humanité a envoyé de nombreuses sondes spatiales pour explorer le système solaire. Ces sondes se déplacent à des vitesses qui sont limitées par l'efficacité de leur moteur et de leur carburant. La sonde New Horizons, lancée par la NASA le 19 Janvier 2006 a acquis une vitesse de 16 km/s après sa sortie de l'atmosphère terrestre, c'est-à-dire la plus grande vitesse acquise par une sonde. Le passage au voisinage de Jupiter, le 28 juillet 2007, a permis d'augmenter la vitesse en direction de Pluton de 4 km/s. C'est l'effet de fronde gravitationnelle (voir explication et vidéo sous l'icône, ci-dessous à droite).

Effet de fronde gravitationnelle
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Trajectoire permettant d'augmenter la vitesse d'une sonde spatiale en utilisant l'énergie d'une planète. Cet effet utilise le mouvement de la planète : si celle-ci était fixe, la vitesse finale de de la sonde serait la même que la vitesse intiale. Lorsque la sonde "tombe" vers la planète celle-ci va dévier son mouvement pour l'entraîner avec elle, comme le fait une fronde avec un caillou. Si la trajectoire est bien calculée, on peut jusqu'à doubler la vitesse de la sonde !
Crédit : ASM/Gilles Bessou
trajectoire de la sonde New Horizons vers Pluton
Simulation du voyage de la sonde de la Terre vers Pluton. Observez son passage au voisinage de Jupiter, ou New Horizons bénéficie de l'effet de fronde gravitationnelle pour modifier sa trajectoire en direction de Pluton, et surtout augmenter sa vitesse. La sonde s'est approchée de Pluton en 2015.
Crédit : NASA/New Horizons

Exercices : visiter le bord du système solaire

De très nombreux objets ont été découverts au-delà de l'orbite de Neptune, l'un d'entre eux, Eris ayant une masse plus importante que celle de Pluton. Ils sont cependant tous beaucoup moins massifs que la Terre. Cela a conduit, en 2006, l'Union Astronomique Internationale (UAI) à redéfinir la notion de planètes, comme étant des objets qui "dominent tous les autres objets au voisinage de leurs orbites". Pluton, Eris et de nombreux autres objets dit "trans-neptuniens" ont été classifiés comme planètes naines.

exercicePluton

Difficulté : ☆☆  

Question 1)

Pourquoi Pluton est-il une planète naine d'après la définition de l'UAI ? Quelles sont les autres caractéristiques de Pluton et autres planétésimaux qui les différencient des planètes externes dites géantes gazeuses ?

exerciceTemps pour atteindre le bord du système solaire

Difficulté : ☆☆  

Les vitesses des sondes lorsqu'elles s'éloignent du Soleil sont ralenties par la masse de ce dernier. Par exemple, New Horizons avait une vitesse moyenne de 14 km/s après son passage au voisinage de Pluton, en 2015.

Question 1)

Les objets transneptuniens sont observés jusqu'à des distances de 70 unités astronomiques. On considérera que la limite de ces objets est de 100 unités astronomiques. L'unité astronomique est la distance Terre-Soleil, et vaut 150 millions de km. A quelle époque New Horizons aura atteint la limite des objets transneptuniens ?


Voyager et Pioneer : les objets les plus lointains envoyés par l'humanité

Les sondes Pioneer et Voyager sont les objets de fabrication humaine ayant atteint les plus grandes distances. Voyager 1, lancé en 1977, détient le record dans ce domaine, ainsi que la plus grande vitesse d'éloignement (17 km/s) obtenue grâce à l'effet de fronde gravitationnelle avec la planète Saturne. Ils se rapprochent de l'héliopause (Voyager 1 l'a atteint en 2012) qui se trouve à près de 100 unités astronomiques de nous. L'héliopause se caractérise par l'équilibre entre la pression due aux radiations solaires, à celle due au milieu interstellaire. Elle représente bien la zone d'influence de notre astre.

Heliopause: Voyager et Pioneer
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Position approximative des sondes spatiales Voyager et Pioneer
Crédit : NASA

Les signaux radio en provenance de Voyager 1 nous parviennent en environ 16 heures. Ils voyagent à la vitesse de la lumière. En comparaison, la lumière de l'étoile la plus proche, Proxima du Centaure, nous parvient après 4,2 années de voyage. A la vitesse de Voyager 1, il faudrait près de 75 000 années pour atteindre Proxima du Centaure !


Les planètes extrasolaires

La présence de planètes autour des très nombreuses étoiles de la Galaxie a été mise en évidence dans les années 1990. Depuis, plusieurs milliers ont été découvertes. Les techniques observationnelles les plus utilisées sont d'observer les perturbations causées par les planètes sur leur étoile, soit par spectroscopie (perturbation de la vitesse radiale de l'étoile), soit par transit (passage de la planète devant l'étoile perturbant sa luminosité). Ces techniques (voir vidéo sous l'icône) ne permettent pas de connaître précisément la fraction d'étoiles possédant un cortège planétaire, mais on estime à plusieurs milliards, voire centaines de milliards le nombre de planètes dans la Galaxie.

Techniques de découvertes de planètes extrasolaires
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Illustration des deux techniques les plus utilisées pour découvrir les planètes extrasolaires. La technique dite de vitesse radiale, utilise le fait que le passage de la planète sur son orbite modifie la position du centre de gravité du système. Avec une précision suffisante, on peut en déduire la période de l'orbite de la planète puis une valeur de sa masse, multipliée par le sinus de l'angle entre le plan du ciel et le plan de l'orbite de la planète. La seconde méthode dite de transit, utilise le fait que le passage de la planète entre l'étoile et l'observateur va diminuer la surface lumineuse apparente de l'étoile. Cela va donc provoquer une chute faible mais réelle et mesurable de la luminosité de l'étoile, durant le transit.
Crédit : ASM/Gilles Bessou

Beaucoup de planètes extrasolaires découvertes aujourd'hui sont bien plus massives que la Terre, car ce sont celles qui perturbent le plus leur étoile, et sont donc plus faciles à détecter. Cependant on découvre aussi des planètes ayant des masses comparables à celle de la Terre, et il n'y a aucun doute que l'on va en découvrir de plus en plus dans les années à venir.

Candidats planètes extrasolaires du satellite KEPLER
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Les candidats planètes extrasolaires obtenus par la sonde KEPLER par technique d'imagerie. Cette image montre les étoiles classées par ordre de taille décroissant, avec pour chacune (point sombre) la planète transitant devant le disque de l'étoile. Pour comparaison, l'étoile située juste en dessous de la première rangée est le Soleil avec la planète Jupiter.
Crédit : NASA/KEPLER

En février 2011, les responsables de la mission spatiale KEPLER ont annoncé la découverte de 1235 candidats planètes extrasolaires. Cinq de ces candidats ont une taille proche de la Terre et sont situés à une distance de leur étoile qui permettrait la présence d'eau liquide à leur surface (zone habitable). Ces candidats doivent être vérifiés par des observations spectroscopiques. En effet, la technique des transits peut confondre une planète avec une étoile-compagnon.


Visiter les planètes extrasolaires ?

Durant les prochaines décennies, nous devrions être capables d'identifier des planètes similaires à la Terre, puis de vérifier la présence d'eau et d'éventuels marqueurs biologiques. Pourra-t-on visiter ces planètes ? Quelle serait la possibilité d'envisager une migration vers des planètes extrasolaires ?

Plusieurs astrophysiciens et physiciens étudient la possibilité d'un tel voyage, généralement en association avec les Agences Spatiales. Les principaux problèmes étudiés sont :


Poursuite de l'exploration : changeons d'échelle de distance

Pour poursuivre notre exploration de l'Univers, nous sommes confrontés à l'immensité de la Galaxie, puis de l'Univers. L'échelle de distance utilisée par les astronomes est l'année-lumière qui représente le trajet parcouru par la lumière durant une année, soit près de 10 000 milliards de kilomètres (valeur exacte : 9461 milliards de kilomètres) !

Temps-lumière entre la Terre, le Soleil et Proxima du Centaure
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Distances en temps-lumière de la Terre aux deux étoiles les plus proches, le Soleil et Proxima du Centaure
Crédit : montage à partir d'images ESO & NASA
Distances en temps lumière
Terre-Lune1,2 seconde
Terre-Soleil8 minutes
Soleil-Pluton5,5 heures
Soleil-limite du système solaire (héliopause)17 heures
Soleil-Proxima du Centaure4,2 années
Soleil-Centre Galactique28 000 années
Voie Lactée-Andromède2,5 millions d'années
Les galaxies lointaines6 à 13 milliards d'années

Exercices : comparaison des distances aux étoiles

Etoiles visibles à l'oeil nu dans un rayon de 50 années lumières
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Les 133 étoiles les plus lumineuses situées à moins de 50 années-lumière. Environ 1400 sont répertoriées dans le même volume.
Crédit : Richard Powell (www.atlasoftheuniverse.com)

exerciceTaille du système solaire comparé à la distance de Proxima du Centaure

Difficulté : ☆☆  

Question 1)

Supposons que la taille du système solaire jusqu'à l'héliopause soit représentée par un grain de sable d'un rayon d'un millimètre. A quelle distance se trouverait l'étoile la plus proche, Proxima du Centaure ?

Question 2)

Dans une sphère d'un rayon de 50 années-lumière, centrée autour du Soleil, on trouve environ 1400 étoiles, dont 10% sont visibles à l'oeil nu (voir image). On fait l'hypothèse que ces étoiles se répartissent de façon uniforme. Quelle est la distance moyenne entre une étoile et sa voisine la plus proche (aide conseillée) ?

Question 3)

En prenant la même analogie qu'en 1), quelle serait la distance entre deux grains de sable ? Comparer la Galaxie avec une plage de sable.

exerciceDistance de l'étoile Gliese 581 et de la super-Terre GJ581d

Difficulté :   

L'étoile Gliese 581 située à 20,3 années-lumière possède un important système planétaire. Il est possible qu'une ou deux de ces planètes (GJ581d et GJ581g) aient une masse comparable à celle de la Terre (5 à 6 fois pour GJ581d), et qu'elles soient dans une zone habitable, c'est-à-dire à une distance de leur étoile permettant à l'eau d'être liquide. Ce système pourrait abriter la planète habitable la plus proche de nous.

Question 1)

En faisant la même comparaison que dans l'exercice précédent (système solaire d'une taille d'un millimètre) quelle serait la distance de ce système ?

Question 2)

Supposons maintenant qu'un vaisseau spatial atteigne une vitesse moyenne de 3000 km/s. En combien de temps celui-ci pourrait atteindre ce système ?


Réponses aux exercices

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Exercice 'Forces et orbites'


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Exercice 'Pluton'


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Exercice 'Temps pour atteindre le bord du système solaire'


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Exercice 'Taille du système solaire comparé à la distance de Proxima du Centaure'