I Un peu d'histoire :

01On considère Babylone comme le berceau de l’astronomie. Le mouvement des astres, identifiés à des divinités, faisait l’objet d’observations précises.

 
 Tablette babylonienne où sont consignées les observations 
       
En Grèce, Aristarque au IIIe siècle av. J-C. va démontrer par l’observation des éclipses de Lune que la Terre est ronde. Il calcule approximativement le diamètre de la Terre. Il énonce une théorie héliocentrique de l’Univers, mais elle sera ignorée. Plus tard, Hipparque calcule la distance Terre-Lune et la distance Terre-Soleil.

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Ptolémée (90-168) confirme la théorie géocentrique de l’Univers dans son traité d’astronomie l’Almagaste et introduit l’idée d’épicycles pour expliquer les rétrogradations des planètes.
  
 Les épicycles de ptolémée
  
  

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Le seul système reconnu  reste le géocentrisme qui place la Terre au centre de l’Univers, théorie acceptée par les théologiens et conforme à la Bible. Ce système va perdurer jusqu’au XVIe siècle. Au XVIe siècle, Nicolas Copernic (1473-1543), chanoine de Prague, passionné d’astronomie, bâtit une théorie héliocentrique de l’Univers qu’il publie en 1543, année de sa mort. Il décrit les orbites circulaires des planètes autour du Soleil. Sa théorie, d’abord acceptée, sera condamnée par l’Eglise au Concile de Trente en raison du resserrement des dogmes suite à la Contre-Réforme.

Les observations de Tycho Brahé, astronome danois (1546-1601), le conduisent à cartographier le ciel. Son assistant, Johannes Kepler, émet 3 lois fondamentales :

-          la loi des orbites : les planètes du système solaire décrivent des trajectoires elliptiques dont le Soleil occupe l’un des foyers.

-          la loi des aires : le rayon Soleil-planète balaie des aires égales pendant des intervalles de temps égaux. En conséquence, la vitesse d’une planète devient plus grande lorsque celle-ci se rapproche du Soleil.
-          la loi des périodes : le carré de la période de révolution est proportionnel au cube du demi grand axe de l’orbite : T² : k x a³.

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Galilée (1564-1642) , grâce à une lunette perfectionnée, montre que la théorie héliocentrique de Kepler est une réalité. Il est obligé de se rétracter devant le Tribunal de l’Inquisition en 1633.

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Galilée face au tribunal de l'Inquisition catholique à Rome.

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Newton (1643-1727) découvre la loi de la gravitation universelle : "deux corps s'attirent avec une force proportionnelle à chacune des masses, et inversement proportionnelle au carré de la vitesse qui les sépare."

 Selon la légende, c'est en observant la chute d'une pomme que Newton a découvert la gravité universelle...

 

 II Les théories de l'Univers:

En 1670, Cassini prouve que la lumière a une vitesse finie en observant l’un des satellites de Jupiter. On pensait alors que l’Univers était rempli par l’ « éther », support ou véhicule de la lumière. La Terre se déplaçant dans l’espace devait donner naissance à un vent d’ «éther ». La vitesse d’un faisceau de lumière allant contre le vent d’ « éther » devait être différente d’un faisceau de lumière perpendiculaire au vent.

En 1880, Michelson et Morley montrent que l’ « éther » n’existe pas et que la lumière a une vitesse constante, 300 000 km/s environ.

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Albert Einstein (1879-1955) édicte en 1905 les lois de la relativité restreinte. Pour lui, la vitesse de la lumière est constante par rapport à un observateur, qu’il soit fixe ou en mouvement. L’espace et le temps sont tous les deux flexibles et forment une entité unifiée, l’espace–temps. La matière peut se transformer en énergie, l’énergie peut se transformer en matière. Cette théorie sera vérifiée par l’équation E= mC². C’est de l’énergie que sont nées les particules. En 1915, il énonce la théorie de la relativité générale qui constitue une nouvelle loi de la gravitation : les masses courbent l’espace, la lumière faite de photons obéit aussi à cette loi. Il introduit la constante cosmologique qui empêche l’univers de s’effondrer sur lui-même et qui s’accorde avec la conception d’un univers statique et éternel.

Friedmann et Lemaître contestent la notion d’univers statique. Pour eux, l’univers est dynamique. Les corps s’éloignent les uns des autres. Ils imaginent un univers en expansion. Lemaître décrit un atome primitif, colossal, qui a explosé pour devenir l’univers que l’on connaît aujourd’hui. La théorie de Lemaître est un des premiers modèles du big-bang.

 

III L'Univers est-il statique ou dynamique ?

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Au XVIIIe siècle, Herschel (1738-1822),  célèbre pour avoir construit un télescope géant, avait repéré des sortes de nébulosités. Il montre que le Soleil fait partie d’un groupe d’étoiles, la galaxie de la Voie Lactée.

En 1781, Messier établit un catalogue des nébuleuses, taches faiblement lumineuses qui ne semblent pas être des étoiles. Henrietta Leavitt étudie les céphéides, étoiles aux variations de luminosité et montre comment leur période de variabilité peut être utilisée pour calculer leur distance.

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En 1923, Edwin Hubble identifie une étoile variable de type céphéide dans une nébuleuse et prouve qu’elle est située au-delà des limites de la Voie Lactée. Il en conclut que la plupart des nébuleuses sont des galaxies indépendantes, composées chacune d’elles de milliards d’étoiles comme la Voie Lactée, qui s’éloignent l’une de l’autre. Grâce à la spectroscopie, les astronomes remarquent que les galaxies semblent « fuir » la Voie Lactée. Les mesures de Hubble peuvent impliquer l’idée que l’univers était initialement condensé en un même point de l’espace. Il s’est ensuite dilaté et continue à se dilater aujourd’hui.

 

IV  Big bang ou univers statique et éternel

Lemaître se saisit des observations de Hubble concernant l’univers en expansion comme preuve que son modèle de la création par le big bang était correct. Einstein passe dans le camp des adeptes du big bang. Les partisans du big bang se devaient d’apporter des preuves, sinon l’univers statique éternel resterait la théorie dominante. La physique atomique pourrait-elle expliquer pourquoi les atomes légers (hydrogène et hélium) sont plus communs que les atomes lourds (fer, or) ?

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Rutherford (1871-1937) formule la structure de l’atome : le noyau central contient des protons + et des neutrons- ; les électrons- tournent autour du noyau.
Deux noyaux se réunissent pour en constituer un plus grand : c’est ainsi que fonctionne le Soleil.

Dans les années 1940, Gamow, Alpher et Herman décrivent l’univers d’origine comme étant une soupe dense de protons, de neutrons et d’électrons. Ils pensent que les atomes de plus en plus gros auraient pu se former par fusion dans la chaleur du Big Bang estimée à 1037 degrés.

- le big bang explique que l’univers actuel est composé à 90% d’atomes d’hydrogène et d’hélium.

- le big bang n’explique pas la formation d’atomes plus lourds.

Ils prédisent qu’un écho lumineux du big bang libéré 300 000 ans après pouvait être encore détectable : découvrir cet écho prouverait l’existence du big bang.

Hoyle, Gold et Bondi proposent un modèle d’état stationnaire de l’univers : l’univers évolue mais reste globalement inchangé et dure depuis toujours.

V Le big bang s'impose :

Sandage (1926-2010) étalonne l’échelle de distance nous séparant des galaxies et estime l’âge de l’univers à 10 milliards d’années (13,7 milliards d’années aujourd’hui).Pour Hoyle, les matériaux lourds se forment dans les étoiles vieillissantes, les supernovas qui explosent.Dans les années 1960, les astronomes utilisent la radioastronomie et trouvent de nouvelles galaxies, comme les quasars, au confins de l’univers.

Penzias et Wilson découvrent un rayonnement, le fond diffus cosmologique, prédit par Gamow, Alpher et Herman, apportant ainsi une preuve du big bang.

Lancé en 1989, le satellite Cobe capte de faibles variations dans le rayonnement du fond diffus cosmologique, ces écarts pouvant avoir joué le rôle de germes dans la formation des galaxies.

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Une supernova

 La validité du modèle du bigbang était démontrée.