La naissance des dieux

La Grèce antique a produit de nombreux mythes cosmogoniques qui se sont nourris des civilisations précédentes, Égypte et Mésopotamie. Hésiode, dans sa Théogonie (VIII^e siècle av. J.-C.) raconte la naissance des dieux. À partir du chaos originel, le texte en révèle les différentes étapes. Au commencement sont les trois puissances : « Abîme » (Chaos), « Terre » (Gaïa), « Amour » (Éros). Chaos (Χάος), qui étymologiquement signifie « béer », est une béance. Donc, il n’est pas rien, pas même le néant. Gaïa « aux larges flancs » est l’ancêtre universelle. Elle est la Terre mère. Éros, l’Amour, va permettre à Chaos et à Gaïa de donner naissance aux autres dieux. Éros, figure abstraite « qui dompte le cœur et le sage vouloir », est le principe unificateur et de mise en cohérence de tous les éléments qui feront le monde : la nuit, le ciel, l’éther.

Abîme donne naissance à deux nuits : Érèbe et Nyx. La première figure l’infraterrestre, la nuit sous terre, celle des ténèbres. Nyx est la nuit du ciel. L’espace commence à se structurer avec la nuit au-dessous de la terre et la nuit au-dessus de la terre. De la nuit naît Éther, l’air pur, et Héméré, la lumière du jour.

Enfin, Gaïa, la Terre, donne seule naissance à Ouranos, le Ciel étoilé. Elle crée également les montagnes et la mer, les flots.

La Terre peut alors accueillir la vie, tandis que ciel est le royaume des dieux. • Voir l’activité 1 dans TDC « Univers : la question des origines », n^o 1006, p. 38.

Du chaos à la séparation des éléments

Le poème épique d’Ovide (43 av. J.-C. -17 apr. J.-C.) rassemble 231 histoires de métamorphoses regroupées en 15 livres selon une chronologie qui débute par l’origine du monde et se termine par le règne d’Auguste.

Ovide, poète romain, s’inspire de la mythologie grecque, et plus spécifiquement de la Théogonie d’Hésiode pour la première métamorphose. L’extrait relate le passage du chaos à une forme ordonnée des éléments. Le monde n’a pas émergé du néant. Il a été créé à partir d’un état préexistant où tout était amalgamé en « une masse informe et confuse ». Le ciel, la terre, les eaux se faisaient la guerre pour trouver leur propre forme et leur place. Est-ce un dieu ou la nature qui va parvenir à créer un monde organisé ? Ovide n’en dit rien. Il ne prend parti ni pour Platon (428-346 av. J.-C.), qui est croyant, ni pour Démocrite (460-370 av. J.-C.), qui est athée. Il peut sembler paradoxal que ce soit « la nature la meilleure » qui participe à la séparation. Empédocle (env. 490-435 av. J.-C.) soutenait que la séparation émanait de la haine, seul Éros, le dieu de l’Amour, étant capable d’une bonne action. Le terme est à interpréter non comme une division, mais comme une différenciation, afin que chaque composante du monde trouve sa place. Il est intéressant de poursuivre sur les différentes étapes de la spéciation, puis de noter les qualificatifs qui distinguent le ciel « limpide » et l’air « épais ». On peut s’interroger sur la raison pour laquelle la voûte céleste est assimilée au feu imprévisible et sur la façon dont sont répartis les terres émergées et les continents. • Voir l’activité 1, p. 38.

La représentation du monde au Moyen Âge

Giusto de’Menabuoi, peintre florentin formé à l’école de Padoue (vers 1320-1391), s’inscrit dans le courant des primitifs, précurseurs de la Renaissance. Au xiii^e et au xiv^e siècle, peintres et sculpteurs italiens, parmi lesquels Giotto (1267-1337) et Lorenzetti (1290-1348), initient une rupture avec l’art byzantin qui prédomine depuis la chute de l’Empire romain d’Occident au v^e siècle. Ces artistes produisent toujours des œuvres dont les thèmes relèvent de l’iconographie chrétienne. Toutefois, soutenus par des mécènes et en partie libérés des commandes de l’Église, ils en modifient peu à peu le traitement en humanisant la figuration de Dieu et des personnages saints, en détaillant le rendu des habits, en introduisant le paysage dans le cadre pictural.

Sous la protection de la cour des Carrara, Giusto de’Menabuoi, aidé de ses élèves, peint de nombreuses fresques qui feront de Padoue un haut lieu de la création artistique du xiv^e siècle. L’œuvre présentée ici, Création du monde par le Christ, fait partie d’un ensemble de fresques réalisées au baptistère de Padoue, illustrant des épisodes de l’Ancien et du Nouveau Testament. D’une grande sobriété, elle donne à voir une représentation de la création et du système du monde inspirée du Traité du ciel d’Aristote (philosophe grec, 384-322 av. J.-C.) et de l’Almageste de Ptolémée (90-168). La Terre est au centre. L’Univers est fini.

Le monde est partagé en deux : le supralunaire, parfait, qui comprend les cieux et les astres éternels ; le sublunaire, qui englobe la région terrestre au centre, entourée de couches successives représentant la Lune, Mercure, Vénus, le Soleil, Mars, Jupiter et Saturne.

Le Fils de Dieu règne dans la sphère d’or supralunaire. Il est accompagné d’angelots, au nombre de sept comme les sept corps célestes qui entourent la Terre, ou encore les sept jours de la Création. Il repose sur le cercle des constellations, les astres éternels. Au centre, la Terre, formée d’un continent entouré d’eau, est représentée selon la cartographie de l’époque.

Giusto de’Menabuoi a peint cette fresque un siècle avant Copernic (1473-1543), astronome polonais qui proposera une autre représentation du monde, le système héliocentrique où le Soleil prend la place centrale qu’occupait précédemment la Terre. • Voir l’activité 1, p. 38.

Un univers fini ou infini ?

L’espace est-il fini ou infini ? Cette question a été source de nombreux débats chez les philosophes naturalistes de l’Antiquité. Le document précédent illustre une représentation d’un monde fini, organisé selon un emboîtement de sphères, comme le décrivaient, entre autres, Platon (428-348 av. J.-C.) et Aristote (384-322 av. J.-C.). De leur côté, les atomistes grecs défendent l’idée d’un monde infini constitué d’atomes, particules indivisibles et éternelles dont les collisions et les associations forment toute la matière du monde sans référence à une création divine. Démocrite, philosophe grec (460-370 av. J.-C.), est l’un des premiers à avancer la notion d’espace infini formé d’atomes qui se combinent au sein d’une substance illimitée. Ses théories ont été vulgarisées par Lucrèce, philosophe et poète romain (98-55 av. J.-C.) dans De rerum natura, poème didactique composé de six livres dont le premier est consacré à l’« Infinité de l’espace et de ses constituants ». A l’appui de sa démonstration, le poète use de la prosopopée, figure de rhétorique qui introduit dans le discours une personne absente à qui il s’adresse − la Nature −, dans le troisième livre, consacré à l’homme.

Dans cet extrait du livre II, Lucrèce montre que l’Univers ne peut pas avoir de limites. Il contient des « germes », des atomes innombrables et éternels qui s’associent pour créer la matière et donner la vie. Le monde est le fruit du hasard rendu possible par de multiples associations d’atomes. Et, puisque l’Univers s’étend à l’infini, n’est-il pas possible d’imaginer que ses atomes s’assemblent et se combinent partout pour former une substance identique à celle que l’on trouve sur notre globe ?

Pourtant, pendant deux millénaires, cette conception restera ignorée, le Moyen Âge chrétien reprenant le postulat d’Aristote. Le cardinal Nicolas de Cuse (1401-1464) est le premier à proposer une rupture avec la conception aristotélicienne. Pour cette même raison, le philosophe italien Giordano Bruno (1548-1600) sera brûlé à Rome le 17 février 1600. Au Quattrocento, l’influence de la production artistique, l’apport de la perspective changent la représentation de l’espace, qui enfin peut s’ouvrir. • Voir l’activité 1, p. 38.

La matière qui s’organise

Ce document extrait de l’ouvrage pour la jeunesse L’Univers et l’Espace, de Philippe de La Cotardière, raconte les premiers instantts de l’Univers, il y a environ 15 milliards d’années. Des milliards de milliards de particules élémentaires s’entrechoquent dans une sorte de magma, une « soupe primitive ». Ces particules sont des électrons et des quarks. On sait aujourd’hui que ces derniers sont les constituants élémentaires des protons et des neutrons (les nucléons), dont les diverses associations forment les atomes. Les électrons tournent autour du noyau, avec des photons, particules sous forme d’ondes électromagnétiques (ondes radio, lumière, rayons gamma).

L’Univers, dès sa naissance, se dilate, et la température s’élève à des milliers de milliards de degrés. Dans une force primitive, les électrons et les quarks sont mélangés sans cohésion. Les quatre interactions fondamentales y sont présentes (la force gravitationnelle, l’interaction forte et l’interaction faible, la force électromagnétique), mais les collisions incessantes, l’agitation et la confusion perpétuelle du milieu ne permet pas leur expression spécifique.

Dans les fragments d’instant qui suivent le début de l’Univers (environ 10^-10 seconde), la force nucléaire forte permet aux quarks de se combiner trois par trois pour former des protons et des neutrons. La température est tombée à un milliard de degrés. Les particules sont moins collées les unes aux autres. L’Univers poursuit sa dilatation. Quelques secondes plus tard, les neutrons se combinent aux protons (nucléosynthèse) pour constituer les noyaux atomiques simples comme ceux de l’hydrogène, de l’hélium et du lithium. Puis l’Univers se refroidit très vite, et seuls les atomes les plus légers (hydrogène et hélium) peuvent se former.

Jusqu’à l’âge de 300 000 ans, l’Univers reste opaque, car les photons, particules élémentaires de lumière, ne peuvent pas se propager tant le nombre des électrons avec lesquels ils interagissent est important.

Un million d’années plus tard, la force de gravité est en œuvre, et les premiers atomes s’associent en molécules. Le magma primitif se fragmente pour former des nuages de molécules d’hydrogène. Les premières galaxies naissent, à partir de « grumeaux » présents dans ce magma de matière.

En 1925, l’astronome Edwin Hubble (1889-1953) démontre que les nébuleuses qui s’éloignent sont des systèmes d’étoiles comme notre galaxie. Avec l’aide de Vesto Slipher, astronome américain (1875-1969) qui parvient à mesurer le décalage vers le rouge des galaxies, il met en évidence que celles-ci s’éloignent d’autant plus vite qu’elles sont lointaines. Cela s’explique grâce à une découverte de Christian Doppler, physicien autrichien (1803-1853). L’effet Doppler permet de constater qu’un son est de plus en plus aigu en s’approchant de nous et qu’il est de plus en plus grave lorsqu’il s’éloigne. On peut s’en rendre compte avec la variation du son d’une sirène d’ambulance qui s’éloigne ou encore, en activité, avec toute autre source sonore portée par quelqu’un qui court. Ce phénomène est identique avec les ondes lumineuses : la lumière d’une étoile ou d’une galaxie qui se rapproche se décale vers le bleu quand sa longueur d’onde diminue ; lorsqu’elle s’éloigne, un décalage vers le rouge est observé car sa longueur d’onde augmente. • Voir l’activité 2, p. 38.

Plusieurs décennies pour accepter le modèle du Big Bang

Isaac Asimov (1920-1992), écrivain américain né en Russie, est entré dans l’univers des sciences en s’intéressant dès l’enfance à la science-fiction. Après un doctorat de biochimie, il exerce la fonction de chargé de cours à l’université de Boston. Asimov souhaite informer ses contemporains des avancées scientifiques qui se développent rapidement dans la première moitié du xx^e siècle et des enjeux qui y sont liés. Aussi consacre-t-il une grande partie de son temps à la vulgarisation scientifique. Cet extrait de Vie et mort des étoiles, un documentaire pour la jeunesse, explique de manière simple le Big Bang, théorie de l’origine de l’Univers élaborée dans la première moitié du xx^e siècle.

Les observations faites en 1925 par Edwin Hubble permettent de mesurer l’éloignement de systèmes d’étoiles situés en dehors de notre galaxie. Elles confirment la théorie d’un Univers en expansion proposée en 1922 par le mathématicien russe Alexandre Friedmann (1888-1925), qui, en reprenant les équations d’Albert Einstein sur la relativité générale, démontre dans un article « Sur la courbure de l’espace » que l’espace varie en fonction du temps. Einstein n’avait jamais accepté auparavant que l’Univers puisse être en évolution. Friedmann soumet l’idée d’un Univers âgé de 10 milliards d’années.

En 1927, le physicien belge Georges Lemaître (1894-1966) publie un article qui propose l’hypothèse d’une expansion à partir de toutes les régions de l’espace et non à partir d’un centre. Ce n’est donc pas la matière qui est en mouvement dans un espace fixe. C’est l’espace lui-même qui se dilate. En 1931, Lemaître émet l’hypothèse d’un début de l’Univers beaucoup plus petit et plus dense qu’il ne l’est aujourd’hui. Il soumet l’idée d’un « atome primitif ».

En 1948, le physicien cosmologiste américano-russe George Gamov (1904-1968), spécialiste des fusions de noyaux atomiques, publie un article sur la formation des éléments au début de l’expansion de l’Univers, corroborant ainsi la théorie du Big Bang. Cependant, jusque dans les années 1960, la communauté scientifique dans son ensemble n’acceptera pas que l’Univers puisse évoluer.

En 1964, deux radioastronomes américains, Arno Penzias (né en 1933) et Robert Wilson (né en 1936), captent une émission d’ondes radio émanant de toutes les directions de l’espace, ce qui laisse penser que la source ne provient pas d’un seul astre. Cette découverte confirme la théorie d’un rayonnement émis par l’Univers à ses débuts.<s> </s>

Aujourd’hui, le modèle scientifique du Big Bang est largement reconnu par la communauté des chercheurs. L’Univers aurait environ 15 milliards d’années. À ses débuts, au moment où il se refroidit (doc F), seuls les atomes les plus légers peuvent se former. Un million d’années après, les nuages stellaires se fragmentent pour former les galaxies.

Grâce à la spectroscopie, les astronomes ont découvert que l’hydrogène et l’hélium étaient les constituants majeurs des étoiles et des gaz de l’espace interstellaire. Les noyaux d’hydrogène fusionnent pour former de l’hélium (doc E). Notre étoile, le Soleil, fonctionne comme toutes les autres étoiles. Nous savons aujourd’hui qu’il est apparu il y a environ 5 milliards d’années. • Voir l’activité 2, p. 38.

Une bulle d’espace-temps

L’expression « Big Bang » date des années 1950. Elle est née des dissensions entre Georges Lemaître (doc F), qui défendait le principe d’un Univers en expansion, et les partisans d’un Univers stationnaire. Parmi ces derniers, le cosmologiste britannique Fred Hoyle (1915-2001), pour se moquer de Lemaître, l’avait surnommé « the Big Bang man ».

Lemaître explique les débuts de l’Univers sous la forme d’un « atome primitif », un « quantum », terme utilisé par la physique quantique pour rendre compte de phénomènes à l’échelle nanométrique qui mettent en jeu les neutrons et les protons, les quarks qu’ils contiennent, les photons ou « grains de lumière ».

En 1900, le physicien allemand Max Planck (1858-1947) émet la théorie selon laquelle l’énergie d’une onde électromagnétique est portée par de petites quantités finies ou « quanta ». La physique classique de Newton (1643-1737), qui en 1666 avait formulé la loi de la gravitation universelle (l’attraction des corps massifs), ne pouvait pas décrire correctement la structure et le comportement des atomes.

Par ailleurs, en 1905, la théorie de la relativité restreinte élaborée par Albert Einstein (1879-1955) remet en question la conception de l’espace et du temps qui selon les concepts de Newton ne pouvaient pas varier, et revêtaient donc une signification universelle.

De plus, la théorie de la relativité générale (1915-1916) remet en cause la gravitation universelle proposée par Newton. Il ne s’agit pas d’une force, mais d’une courbure de l’espace engendrée par les corps massifs. Il faut imaginer un filet qui s’incurve sous la masse d’une balle posée dessus.

Avec la théorie de la relativité restreinte, l’écoulement du temps peut ralentir (dilatation du temps) et l’espace peut se contracter à des vitesses proches de celles de la lumière, c’est-à-dire à 300 000 km/s. C’est la vitesse à laquelle se déplace un photon, particule élémentaire de lumière. Le photon n’a pas de masse, contrairement à l’électron, qui, lui, pèse 10^{-27 g. Étant donné que la vitesse de la lumière, « c », est très importante, une masse m peu importante peut développer une très grande énergie, E. L’équation E = mc2} établit une relation entre la masse et l’énergie.

Ce document complète et précise le doc F en indiquant que le Big Bang n’a pas commencé par « une explosion dans un espace vide ». L’atome primitif suggéré par Georges Lemaître était une boule minuscule très dense où étaient contenues toute la matière et toute l’énergie, et qui en explosant, donc en se mettant en mouvement, a donné naissance à l’espace et au temps. Le doc G pose la question de l’ultime instant où l’Univers a émergé. Max Planck l’a daté à 10^-43 (dix millionième de milliardième de milliardième de milliardième de milliardième de seconde). Une grandeur qui échappe à la raison commune et qui n’est évidemment pas à développer avec les élèves du cycle 3 et de 6^e.

La question des débuts de l’Univers reste entière. Aussi, à partir du texte qui évoque la naissance du temps simultanément à la naissance de l’espace, est-il possible de suggérer la question : « Mais qu’y avait-il avant, si le temps tel que nous le connaissons n’existait pas ? »

Pour le physicien américain Andreï Linde (né en 1948), le commencement de l’Univers est une « bulle d’espace-temps », un concept qui peut induire des représentations, un imaginaire. Il est possible de poursuivre sur la description d’une matière qui se divise, et qui avec le temps donne naissance à toujours plus de matière et d’espace. • Voir l’activité 2, p. 38.

De la contemplation au questionnement

Peut-on se questionner sur l’origine de l’Univers sans avoir été ému par un ciel étoilé ? Les astres au-dessus de nos têtes incitent à la contemplation. Ils suscitent également des questionnements sur la nature et la grandeur du cosmos, sur l’origine de ces étoiles qui parsèment la voûte céleste. En observant le ciel par une nuit sans nuage, et sans lune, de préférence en janvier ou en juillet, nous pouvons constater qu’elles ne sont pas également réparties. Davantage concentrées le long d’une large bande blanche qui parcourt le ciel, elles sont quelque 200 milliards à former notre galaxie, la Voie lactée, un vaste disque spiralé à la périphérie duquel brille notre étoile, le Soleil. Comme notre système solaire se situe à l’intérieur, nous ne pouvons pas voir la forme de notre propre galaxie. Pour connaître la structure de cette dernière, les astronomes utilisent des radiotélescopes qui captent les ondes électromagnétiques baignant l’Univers, et ils étudient particulièrement l’absorption de ces ondes par l’hydrogène, composant le plus majoritaire.

Même si notre Voie lactée contient un nombre considérable d’étoiles, elle n’est qu’une galaxie parmi des milliards d’autres qui constituent notre Univers. En été, il est possible de voir à l’œil nu la galaxie d’Andromède située au nord de la constellation du Carré de Pégase. Avec une paire de jumelles, sa forme elliptique se profile nettement. Elle est formée de milliards d’étoiles. Sa lumière, lorsqu’elle nous parvient, a été émise 200 millions d’années auparavant.

Qu’elles soient spiralées comme la nôtre ou elliptiques, les galaxies sont toutes composées d’un mélange d’étoiles, de gaz et de poussière. Les étoiles naissent à partir d’un nuage de gaz et de poussière qui s’effondre sur lui-même sous l’effet de la gravité. La matière condensée entraîne un accroissement rapide de la température, qui atteint des millions de degrés. Un noyau se forme. Des réactions nucléaires commencent. Les atomes d’hydrogène fusionnent pour former de l’hélium − il faut quatre atomes d’hydrogène pour former un atome d’hélium. Après sa formation, lorsque l’étoile est toute jeune, des radiations violentes soufflent des grains de poussière qui plus tard formeront des planètes. Pendant plusieurs milliards d’années, le noyau de l’étoile brûlera son hydrogène jusqu’à épuisement. Les réactions de fusion s’arrêteront. Le noyau des étoiles légères comme le Soleil s’effondre sur lui-même en se contractant. La pression interne de radiation l’emporte sur la gravité. L’étoile devient une géante rouge dont l’enveloppe se dilate pour former une nébuleuse planétaire tandis que le noyau effondré prend la forme d’une naine blanche, puis brune jusqu’au refroidissement total et à la mort de l’étoile. Les étoiles plus massives ont une fin plus spectaculaire. Elles explosent en supernovae.

C’est au cours de l’histoire de l’Univers que les atomes en se combinant ont créé toute la matière qui en s’organisant et en se complexifiant a donné naissance à la vie dans sa diversité.

Le texte d’Hubert Reeves est une invitation à s’interroger sur la dimension, la profondeur et l’âge de l’Univers. Il doit permettre d’amorcer un questionnement sur « la violence des événements qui se succèdent dans l’Univers » en abordant la naissance et la mort des étoiles. • Voir l’activité 3 dans TDC « Univers : la question des origines », n^o 1006, 15 décembre 2010, p. 39.

Des pouponnières d’étoiles

Aujourd’hui, les moyens d’observation des astronomes permettent de dénombrer des milliards de galaxies organisées en systèmes stellaires. Ces amas d’étoiles se sont formés au cours de l’évolution cosmique à partir de grands nuages de gaz plus ou moins denses, que l’on nomme nébuleuses.

Sous l’effet de la gravitation, le gaz des nébuleuses se condense. La matière condensée entraîne un accroissement rapide de la température jusqu’à 15 millions de degrés, amorçant ainsi les réactions nucléaires à l’origine de la naissance d’une étoile (doc E).

Les astrophysiciens observent l’activité des nébuleuses de notre galaxie.

La nébuleuse de l’Aigle, que les astronomes désignent également sous le nom de « M16 », selon le catalogue des objets célestes de Charles Messier (1730-1817), est située à 7 000 années-lumière dans la constellation du Serpent. Le télescope spatial Hubble a capté cette image en 1995. Elle montre d’immenses colonnes de gaz (hydrogène) d’une longueur de plusieurs années-lumière, où des milliers d’étoiles sont en gestation. Les jeunes étoiles émettent un intense rayonnement ultraviolet qui chasse les gaz et les poussières sculptant ces « piliers ». Plus tard, les grains de poussière soufflés formeront des planètes.

La nébuleuse Trifide, également appelée « M20 », est située à 4 500 années-lumière en direction de la constellation du Sagittaire. Elle est constituée de groupes de jeunes étoiles : leur rayonnement à haute énergie, qui s’abat sur les nuages d’hydrogène environnants, provoque cette couleur rouge. Les veines sombres sont des bandes de poussière et de gaz qui en se condensant donneront naissance à de nouvelles étoiles.

Les couleurs que l’on voit sur ces images ne reflètent pas la réalité. Afin de distinguer plus finement les détails, les chercheurs accroissent l’intensité des couleurs et assemblent souvent plusieurs images prises à des longueurs d’ondes différentes. • Voir l’activité 3, p. 39.

La naissance d’une étoile

Cet extrait de La Vie d’une étoile raconte sous une forme dialoguée la naissance de Proxima du Centaure, l’étoile la plus proche de notre système solaire, située à 4,22 années-lumière, dans notre galaxie, la Voie lactée. Elle fait partie d’un système stellaire triple, trois astres qui sont nés ensemble, il y a 4,85 milliards d’années, juste un peu avant notre étoile le Soleil. Proxima, la plus petite, est une naine rouge. Alpha A, et Alpha B, ses sœurs, sont plus massives et plus lumineuses, et orbitent l’une autour de l’autre. Proxima la plus petite est éloignée et orbite autour des deux autres avec une période estimée à plus de 500 000 ans. Il est rare que les étoiles soient isolées, à l’image du Soleil. À l’intérieur d’une galaxie, les étoiles sont souvent associées par deux, trois, voire par quatre ou six.

L’auteur, Alain Bouquet, physicien, cosmologiste, met en scène quatre enfants passionnés d’astronomie qui, lors d’une escapade au bord de la mer, échangent leur questionnement sur le ciel profond. Perdus dans leurs réflexions, ils sont embarqués dans une rêverie, et rencontrent Proxima. L’étoile personnifiée va leur conter la naissance, la vie et la mort des astres.

Dans un premier temps, Proxima se présente avec sa famille. Elle se nomme ainsi parce qu’elle est proche de notre système solaire, et parce qu’elle est située en direction de la constellation du Centaure, observable de l’hémisphère Sud. Une carte des deux hémisphères permettra de repérer cette constellation, l’une des plus vastes du ciel.

Il est nécessaire de préciser qu’il ne faut pas confondre les constellations et les systèmes stellaires. Une constellation est un groupe d’étoiles qui sont dans la même direction lorsqu’on les regarde de la Terre. Elles forment une figure dans le ciel qui porte le nom d’un héros ou d’un animal de la mythologie. Lorsqu’on les observe d’un autre point de vue, par exemple à partir d’un télescope spatial, elles ne forment plus les mêmes figures. Un système stellaire est composé d’étoiles qui sont nées ensemble à partir d’un nuage interstellaire appelé nébuleuse (doc H). Une secousse, probablement liée à l’explosion d’une étoile proche, a déstabilisé le nuage de gaz dilué, qui s’est morcelé. Une accumulation de gaz à certains endroits a formé des agrégats qui, sous l’effet de la gravitation, se sont condensés et échauffés au point de former trois étoiles qui vont commencer à briller. Proxima explique aux enfants la raison de sa couleur en tant que naine rouge, et la raison pour laquelle Alpha B est orange, et Alpha A jaune.

Lorsque notre regard s’attarde sur la voûte céleste, les étoiles, qui semblent, à première vue, toutes identiques, se distinguent par leur taille, leur couleur et leur éclat. Les plus chaudes sont blanches ou bleutées ; les plus froides sont jaunes, orangées, rouges. Pour garder en mémoire cette notion, il suffit de se rappeler le phénomène observé lorsque l’on chauffe un métal. Au départ il rougit, puis devient orangé, et progressivement il passe du jaune au blanc. Lorsqu’il devient bleuté, il est prêt à fondre. • Voir l’activité 4 dans TDC « Univers : la question des origines », n^o 1006, 15 décembre 2010, p. 39.

Le plein de questions pour connaître le Soleil et le spectre des étoiles

C’est quoi le Soleil ? Pourquoi brille-t-il ? Comment nous chauffe-t-il alors qu’il est si loin ? Quand est-il né ? Va-t-il mourir un jour ? Toutes ces questions sont posées par des enfants à Roland Lehoucq, astrophysicien qui, avec talent, sait se mettre à la portée du jeune public et des adultes afin de susciter l’intérêt pour les disciplines scientifiques. En laissant émerger les représentations, l’ouvrage est construit de manière à induire le questionnement. Aussi, avant de donner à lire l’extrait proposé, les élèves peuvent apporter leurs propres réponses aux questions posées.

Dans un second temps, il est possible de poursuivre le questionnement à partir des premières réponses apportées par les enfants qui dialoguent avec le scientifique. L’un d’eux parle de la lumière qui nous parvient du Soleil, un autre évoque la structure de l’étoile qu’il perçoit comme une « boule de feu ». Les représentations permettent d’aborder les propriétés de la lumière (propagation, absorption par la matière, réflexion, réfraction), et la question de l’énergie transmise par le Soleil. L’énergie solaire est à la source de la plupart de celles utilisées par l’homme, hormis le nucléaire et la géothermie.

En répondant à la question Roland Lehoucq explique que le Soleil est lumineux sous l’effet de la chaleur. Avant d’expliquer sa composition, il s’assure que les enfants savent ce qu’est un gaz.

Comme les autres étoiles, le Soleil est composé d’hydrogène et d’hélium, et il s’est formé à partir d’une nébuleuse, un nuage interstellaire composé de gaz et de poussière. Il est né, il y a 4,6 milliards d’années, aux confins d’un bras spiral de notre galaxie, la Voie lactée. Le Soleil a une température de 15 millions de degrés en son centre. Après sa formation, il restait environ 1 % de matière qui s’est agglutinée en un immense disque tournant autour de l’astre. Les différentes collisions de cette matière ont formé les huit planètes de notre système solaire. Pour aider les enfants qui le questionnent à appréhender la dimension de notre étoile, l’astrophysicien propose une simulation avec des fruits de différentes tailles. Réaliser une maquette peut en effet être un bon moyen d’avoir une représentation de notre système solaire.

C’est également en suscitant le questionnement que le scientifique donne la possibilité de connaître le temps mis par la lumière du Soleil pour parvenir jusqu’à la Terre. En un peu plus de 8 minutes, la lumière parcourt 150 millions de kilomètres.

Dès l’Antiquité, la lumière a suscité la curiosité des philosophes. Certains pensaient qu’elle était faite de particules, d’autres suggéraient qu’elle se déplaçait dans le milieu (l’éther) sous forme d’ondes. Le débat a continué jusqu’au xx^e siècle.

Au xvii^e siècle, Christian Huygens (1626-1695) défendait une théorie des ondes, tandis qu’Isaac Newton (1643-1727) soutenait l’hypothèse de corpuscules. Grâce à ses expériences sur les prismes, il a démontré que la lumière solaire se décomposait en sept couleurs : rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet. En 1900, Max Planck (1858-1947) affirmait que l’énergie d’une onde électromagnétique s’échange par petites quantités finies ou « quanta ». La lumière visible n’est qu’une infime partie du spectre des ondes électromagnétiques, qui comprennent une large gamme de rayonnements (des ondes radio aux rayons gamma). Au xx^e siècle, avec Albert Einstein (1859-1955), la lumière est à la fois onde et corpuscule. La relation entre l’aspect ondulatoire et l’aspect corpusculaire sera expliquée par Louis de Broglie (1892-1987). La lumière comme la matière est composée de particules élémentaires, des infimes « petits pois lumineux », appelés photons.

Avec cet extrait, l’auteur suggère d’observer les différentes couleurs de la lumière en utilisant un prisme comme le faisait Newton. La lumière est déviée en changeant de milieu. Toutes les couleurs de la lumière, à des longueurs d’onde différentes, ne sont pas exactement déviées selon le même angle. On observe que le rayon rouge est moins dévié que le rayon violet. Ce phénomène de dispersion est à l’origine de l’arc-en-ciel, qui a également suscité la curiosité de nombreux scientifiques.

En étudiant le spectre de la lumière solaire, les astrophysiciens arrivent à connaître les éléments chimiques qui composent le Soleil et les autres étoiles. Chaque couleur du spectre correspond à une longueur d’onde de la lumière. Le spectre est interrompu par des barres sombres (le long code-barres de L’Étoile mystérieuse évoqué par Roland Lehoucq) qui sont produites par un type particulier d’atomes absorbant certaines longueurs d’onde de la lumière. Il existe plusieurs types de spectroscopes utilisés par les astrophysiciens, qui dispersent la lumière selon différentes méthodes. Mais la spectroscopie ne suffit pas à expliquer ce qui se passe à l’intérieur des étoiles. À l’échelle internationale, les astrophysiciens étudient la sismologie stellaire grâce à des systèmes embarqués, comme le satellite CoRot, qui permettent d’analyser les variations du rayonnement dans le temps d’étoiles lointaines.

Ainsi, les recherches en astrophysique pour mieux comprendre le fonctionnement des étoiles continuent de susciter l’intérêt de nombreuses équipes de chercheurs. Il reste beaucoup à découvrir, et l’auteur encourage les jeunes à développer leur curiosité sur le sujet. • Voir l’activité 4 dans TDC « Univers : la question des origines », n^o 1006, 15 décembre 2010, p. 39.