Dernière mise à jour: 2013/08/28.
La structure du système solaire est connue depuis plusieurs siècles. Les planètes se meuvent le long d'une ellipse dont le soleil est un des foyers. Ces planètes sont, avec la lune, les objets les plus lumineux dans le ciel, du fait de leur proximité de nous et du soleil. Cependant les planètes ne se déplacent que dans le plan de l'ecliptique ou dans sa zone proche puisque le trajectoire est plane, et grosso-modo toujours inclinée de la même façon.
En dehors du plan de l'ecliptique, on distingue également de nombreux points lumineux. Ce ne sont pas des planètes, ce sont des étoiles, parfois comme le soleil, mais parfois très différentes, en taille, couleur, et constitution.
Les planètes ou les étoiles sont des objets ponctuels, dans le sens ou leur image vue à l'oeil nu est très mince et très lumineuse. Cependant, avec un peu d'expérience, on peut distinguer dans les nuits sombres, des objets beaucoup plus larges, et moins lumineux. Parmi ces objets diffus, on trouve les nébuleuses, les amas ouverts, les galaxies. Il s'agit en fait d'un assemblage d'étoiles dans le cas des galaxies ou des amas ouverts, et d'un nuage chauffé par des étoiles environnantes dans le cas d'une nébuleuse.
Par ailleurs, un survol rapide du ciel permet de découvrir une bande plus lumineuse qui semble entourer la terre. Il s'agit de la Voie Lactée qui n'est autre que la galaxie où se trouve le soleil.
En fait, l'univers est très organisé, les étoiles se regroupent en galaxies qui elles-mêmes se regroupent en formant des amas ou des super-amas. Ces structures se forment sous l'action de la gravitation, qui les conduit également à tourner sur elles-mêmes de la même façon que les planètes tournent autour du soleil.
On trouve également d'autres types d'objets dans l'univers : tout d'abord, certaines étoiles comme les naines ou les étoiles à neutrons sont trop peu lumineuses pour pouvoir être observées. Ensuite, les trous noirs ingurgitent tout ce qui passe à leur proximité, même la lumière, ce qui les rend invisibles. Des nuages de poussières, s'ils ne sont pas éclairés par des étoiles proches, restent noirs et indiscernables du fond de l'univers.
En fait, ces différents objets traduisent l'évolution des différentes structures de l'univers et ont permis aux astrophysiciens de les comprendre.
Actuellement, la stabilité du soleil est assurée par l'opposition des forces gravitationnelles qui tendent à le faire se contracter, et à l'expulsion de l'énergie dégagée par les réactions nucléaires en son sein. Le soleil fait partie de la classe des étoiles jaunes, étoiles à température moyenne, qui rayonnent la plus grande partie de leur énergie dans le spectre visible.
Dans 5 milliards d'années, l'hydrogène actuellement utilisé dans les réactions nucléaires sera épuisé et de nouvelles réactions vont s'engager afin de consommer les éléments lourds créés par les réactions précédentes. Ceci va conduire à un grossissement considérable du soleil qui va se transformer en géante rouge et atteindre le diamètre de l'orbite terrestre. Les géantes rouges sont des étoiles assez froides par rapport aux autres types et rayonnent peu. Elles sont donc assez peu visibles.
Ensuite, lorsque les éléments lourds comme l'hélium et les suivants dans la classification périodique, seront également épuisés, l'énergie dégagée par les réactions va devenir très insuffisante pour compenser l'effondrement gravitationnel. Le soleil va donc se recontracter jusqu'à atteindre environ la taille de la terre, laissant à la place de la géante rouge une grande quantité de matière qui va former un immense nuage de poussière très peu dense, appelé nébuleuse planétaire, et représentant une grande part de la masse initiale de l'étoile. La plus grande partie de matière restante est alors concentrée au coeur de la nébuleuse, dans une naine blanche, étoile de la taille de la Terre. L'arrêt de l'effondrement gravitationnel est dû au fait qu'à partir d'une certaine densité, les électrons ne peuvent plus se resserrer à cause du principe de Pauli. Ce principe d'exclusion conduira donc à un état stable où la densité est telle qu'une balle de ping-pong remplie de la matière d'une naine blanche, pèserait plusieurs tonnes. Le peu de réactions nucléaires continuant dans les naines blanches conduit à une étoile très peu lumineuse mais qu'on parvient parfois à observer au centre de certaines nébuleuses planétaires. Lorsque plus tard, les réactions nucléaires se seront arrètées, plus aucune lumière ne sera émise et le soleil deviendra un astre complètement mort, une naine noire.
En 1931, Subrahmanyan Chandrasekhar a montré qu'il existe une masse limite au-dessus de laquelle une naine blanche ne peut résister à la contraction : l'attraction gravitationnelle dirigée vers le centre de l'étoile dépasse la pression des électrons due au principe de Pauli. Cette masse limite, appelée masse de Chandrasekhar, vaut environ 1,4 fois celle du Soleil.
Lorsqu'une étoile possède une masse trop grande, elle va également se dilater en géante rouge (voire en supergéante) puis se recontracter. Cependant, au lieu de se stabiliser à l'état de naine blanche, elle va continuer à se contracter jusqu'à atteindre des densités et des températures extrêmes, qui la font exploser. Cette explosion est appelée Supernovæ et peut être plus lumineuse qu'une galaxie toute entière pendant plusieurs jours.
Au cours de cette explosion, 90% de la matière de l'étoile est expulsée. Il ne reste ensuite qu'un coeur très condensé au milieu d'un nuage de poussière en expansion rapide. La nébuleuse du Crabe est un tel nuage. Le noyau est 700 fois plus petit qu'une naine blanche (de l'ordre d'une dizaine de kilomètres de rayon) et 100 millions de fois plus dense, c'est à dire d'une masse comparable au soleil. L'incroyable densité a conduit la plupart des électrons à réagir avec les protons pour former des neutrons. La force compensant l'effondrement gravitationnel est désormais le principe d'exclusion de Pauli appliqué au neutrons.
Théoriquement, il existe une densité limite au delà de laquelle, la pression des neutrons est insuffisante pour compenser l'incroyable attraction gravitationnelle. Pourrait-il exister un état stable de matière encore plus dense que l'étoile à neutrons ? La théorie répond par la négative. Une étoile assez massive conduirait donc à un objet si étrange que rien ne résiste à son attraction, pas même la lumière, qui ne peut s'en échapper. Ce sont les trous noirs.
Parmi les autres types d'astres, on trouve tout d'abord les étoiles ratées : les naines brunes sont en effet des étoiles dont la masse n'est pas assez grande pour assurer une densité et donc une température suffisante pour allumer les réactions nucléaires. Ce sont donc des astres morts, ressemblant à Jupiter.
A part les étoiles jaunes comme le soleil, et les rouges comme les géantes et supergéantes, on trouve également des étoiles bleues. Ce sont les étoiles les plus chaudes.
Les pulsars ne sont en fait que des étoiles à neutrons en rotation très rapide (quelques centaines de rotations par seconde) . La régularité de la période de rotation de ces objets est assez ahurissante puisque ses variations relatives sont au pire, de l'ordre de 1E-11. Lorsque les pôles magnétiques ne sont pas confondus avec les pôles géographiques de l'étoile, l'intense champ magnétique tourne avec l'étoile. Il y a donc création d'une onde électromagnétique périodique. C'est ce signal qui est capté sur terre sous forme de pulses correspondant au passage d'un pôle magnétique dans la direction de l'observateur.
Enfin, les novæ ne sont que des étoiles dont la luminosité varie énormément et très rapidement. Apparemment, il s'agit souvent de système binaire dont une des composantes est très massives et absorbe donc l'autre qui produit donc des sursauts de luminosité. La rapidité des variations est liée à la fréquence des révolutions du système.
On trouve également des objets beaucoup plus volumineux. Les quasars, dont on entend beaucoup parler depuis une vingtaine d'années, ont été découverts dans les années 60. Il s'agit d'objets extrêmement lointains, si lointains que leur décalage vers le rouge peut atteindre les facteurs 5, c'est à dire plus de dix-milliards d'années-lumière. Et comme ils sont lointains, il faut une résolution angulaire très fine pour les observer. Il s'agit apparemment de coeurs de galaxie très actifs. En effet, cette région d'une taille de l'ordre de celle du système solaire, émet autant de lumière que des milliers de galaxies, qui sont 300 millions de fois plus grandes. Ces objets sont très utiles aux scientifiques qui essaient de comprendre l'évolution de notre univers car étant très distant, ils ont existé il y a très longtemps. Les quasars nous montrent donc ce qu'a pu être la voie lactée il y a des milliards d'années.
Les vitesses de rotations des galaxies permettent de calculer la masse de ces galaxies. Cependant, les résultats obtenus sont très différents des évaluations réalisés à partir des objets visibles dans ces galaxies. Il semble donc qu'une grande partie (90%) de la masse des galaxies soit invisible. En ce qui concerne les structures encore plus grandes, cette valeur atteint même les 95%.
Ce résultat est par ailleurs confirmé par l'étude des amas de galaxies engendrant des mirages gravitationnels. En effet, lorsque l'objet déflectant est visible, on peut évaluer sa masse. Et on constate alors qu'elle est très inférieure à la valeur déduite de la déflection de la lumière.
Parmi les premiers candidats pour constituer cette énorme masse sombre, sont apparus les trous noirs, étant donnée leur masse gigantesque. Cependant, des évaluations récentes semblent montrer que les trous noirs sont bien trop rares pour jouer ce rôle. Ensuite on a pensé aux MACHOs (Massive astrophysical compact halo object). Il s'agit d'objets massifs très compacts tels les naines brunes, des étoiles ratées qui ne rayonnent presque pas. Comme pour les trous noirs, leur nombre ne leur permet de former qu'une petite partie de la masse cachée de l'univers.
Les théoriciens se sont ensuite tournés vers le neutrino qui abonde dans l'univers, en tant que rayonnement fossile datant du Big Bang. Sa masse si elle est non nulle pourrait constituer cette masse cachée. Cependant, des expériences récentes à SuperKamiokande au Japon semblent montrer que la masse du neutrino est trop faible (si elle n'est pas nulle).
Même si on ne sait toujours pas ce qui constitue réellement cette masse cachée, on commence à savoir indirectement, de quel type de particules elle est constituée. En effet, on sait calculer le nombre de baryons qui ont été créés après le Big Bang. Il s'agit en fait du nombre d'atomes d'hydrogène et d'hélium, les deux corps les plus présents dans l'univers. Or, les mesures de quantités de baryons dans l'univers visible conduisent aux mêmes valeurs. La masse cachée semblent donc être constituée de particules non-baryoniques, telles que les électrons ou les neutrinos. Mais d'autres théories imaginent également qu'il pourrait s'agir de particules plus inhabituelles, ce qu'on appelle les WIMPs (Weakly Interactive Massive Particle). Il s'agit en fait d'un terme générique regroupant l'ensemble des particules dont l'existence est supposée par une théorie mais qui n'ont encore jamais été détectées expérimentalement, comme les particules supersymétriques par exemple.
Les études de la répartition des étoiles dans le ciel ont permis de déterminer la forme de notre galaxie, la Voie Lactée. Il s'agit qu'une galaxie spirale à 4 bras principaux, dont le diamètre vaut 30 kpc tandis que l'épaisseur est 300 pc. Un parsec ("parallaxe-seconde", noté pc) représente la distance d'un objet qui verrait le rayon terre-soleil sous 1 seconde d'arc, soit 3,26 années-lumières, c'est à dire 30 000 milliards de kilomètres.
Les galaxies sont également organisées les unes par rapport aux autres. En effet, les amas regroupent une dizaine de galaxie dans des zones d'un diamètre de l'ordre du Mpc. Ensuite, ces amas sont eux-mêmes regoupés en super-amas, dont la taille est de l'ordre de la dizaine de Mpc. Enfin, des sondage récents ont montré qu'il existait une troisième structure, une structure en "éponge" : des parties vides à peu près sphérique d'environ 70 Mpc de diamètre sont limitées par des bords d'une épaisseur de l'ordre du Mpc materialisés par galaxies. Et en fait, ce sont les super-amas qui forment cette structure puisqu'eux-mêmes sont très aplatis.
Il peut être intéressant de remarquer qu'à grande échelle, le passage d'une structure à sa supérieure se fait sans trop changer la distance considérée : un facteur entre 10 et 50 pour passer des galaxies, aux amas, puis aux super-amas puis à la structure en éponge. Par contre, à des échelles plus réduites, les facteurs deviennent beaucoup plus importants : 5000 pour passer du soleil au système solaire et même 100000 pour passer d'une planète au système solaire. Ensuite un facteur 1 million permet de passer du système solaire à la voie lactée. Ceci insiste sur le fait que l'univers est homogène uniquement à grande échelle (de l'ordre du Gpc) et pas du tout à petite échelle.
