Les distances dans le système solaire

La Terre est une planète essentiellement composée de roches. On parle de planète tellurique, par opposition aux planètes gazeuses comme Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune, qui sont essentiellement composées de gaz. Mercure, Vénus et Mars sont par contre des planètes telluriques.

Le rayon terrestre mesure environ 6370 kilomètres. De façon équivalente, sa circonférence est de l’ordre de 40 000 km. Cette valeur était connue dès l’Antiquité grecque mais avait été oubliée pendant de le Moyen-Âge. Ainsi, Christophe Colomb la croyait deux fois plus petite... ce qui rendait le voyage vers les Indes par l’ouest intéressant. En fait, les Indes se trouvent considérablement plus loin de l’Espagne que ce qu’il croyait, et il n’aurait jamais entrepris un tel voyage s’il avait connu le vrai diamètre terrestre !

La Terre possède un unique satellite, la Lune. La distance Terre-Lune était elle aussi déjà connue dans l’Antiquité grecque par l’étude des éclipses lunaires et solaires. Elle vaut environ 400 000 km. Sa valeur varie de quelques pourcents au cours d’une lunaison car la Lune n’a pas une orbite circulaire autour de la Terre. La lune est environ quatre fois plus petite que la Terre : son rayon mesure légèrement plus de 1500 km.

La distance Terre-Soleil est considérablement plus grande. Elle vaut environ 150 000 000 km. Cette valeur est assez difficile à mesurer sans appareillage sophistiqué, néanmoins les astronomes grecs savaient comment l’évaluer. Mais du fait des imprécisions de leur mesures, la distance était sous-évaluée d’un facteur 7 : elle était estimée à 20 000 000 km, néanmoins il est remarquable qu’il aient réussi à estimer un ordre de grandeur correct.

Quand on est en présence de grandes distance, il est parfois plus commode de raisonner en terme de durées nécessaires à la lumière pour parcourir les distances en question. La lumière se déplaçant très vite (environ 300 000 kilomètres par seconde), les durées ainsi associées aux distances sont représentées par des nombres plus aisément commensurables. Ainsi, les 150 000 000 de kilomètres séparant la Terre du Soleil correspondent à à peine plus de 8 minutes lumière (c’est le temps que met la lumière du soleil pour nous parvenir). La taille du système solaire interne se compte en heures lumière. Neptune, située à environ quatre milliards de kilomètres du soleil est ainsi à un peu moins de quatre heures lumière du Soleil. Les planètes du système solaire forment ce que l’on appelle le système solaire interne. Un grand nombre de corps de plus petite taille orbite bien au-delà de Neptune. On parle d’objets trans-neptuniens, que l’on subdivise en diverses catégories comme la ceinture de Kuiper et le nuage de Oort. Un nombre croissant d’objets transneptuniens a été découvert depuis quelques années. Pluton est désormais considéré comme en faisant partie bien que conservant son statut de planète. L’extension maximale des orbites des objets trans-neptuniens atteint des distances de l’ordre de l’année lumière, c’est-à-dire une fraction non négligeable de la distance aux étoiles les plus provhes, ce qui est considérablement plus grand que le système solaire interne, d’un facteur 1000 environ.

Les distances dans la Voie Lactée

Les distances au sein de la Voie Lactée sont considérablement plus grandes que celles dans le système solaire. On mesure les distances dans la Voie Lactée en terme d’années lumière. Une année lumière correspond à la distance parcourue par la lumière en un an, soit un peu moins de 10 000 milliards de kilomètres (250 000 fois plus que la distance Terre-Soleil).

L’étoile la plus proche du Soleil est Proxima du Centaure, à un peu plus de 4 années lumière de la Terre. Comparativement, la distance de la Terre à Neptune est 10 000 fois plus petite que celle de la Terre à Proxima du Centaure. La plupart des étoile visibles à l’œil nu depuis la Terre sont des étoiles relativement proches du soleil, située à des distances de quelques centaines d’années lumière. Il existe cependant quelques exceptions comme Deneb qui est une des étoiles les plus lumineuses de la Voie Lactée. Deneb apparaît comme la vingtième étoile la plus brillante du ciel vu depuis la Terre, mais uniquement parce qu’elle est considérablement plus éloignées que les autres étoiles : entre 1500 et 3000 années lumière. À titre de conparaison, Sirius, l’étoile la plus brillante doit son éclat à sa distance relativement proche de la Terre : une dizaine d’années lumière seulement.

La Voie Lactée est le nom donné à la galaxie dans laquelle se trouve le Soleil. Sa forme ressemble (grossièrement) a celle d’un œuf au plat géant : un disque au centre duquel se situe un bulbe. Le diamètre du disque est de l’ordre de 100 000 années lumière et celui-ci contient quelques centaines de milliards d’étoiles.

Les distances dans l’univers

La Voie Lactée n’est pas la seule galaxie présente dans l’univers. Dans la région de l’univers qui nous est accessible, on trouve plusieurs centaines de milliards de galaxies dont la taille est typiquement du même ordre que celle de la Voie Lactée. La répartition spatiale des galaxies est assez complexe (voir l’article La répartition de la matière dans l’univers), néanmoins il est possible d’estimer la distance typique entre deux galaxie typique semblable à la Voie Lactée. Cette distance se compte en millions d’années lumière. Par exemple, la galaxie d’Andromède, la plus grosse galaxie située dans le voisinage de la Voie Lactée, est située à environ 2,2 millions d’années lumière de nous. La distance entre la Voie Lactée et la galaxie d’Andromède est donc de l’ordre de 20 fois leur diamètre.

Quand on s’intéresse à des objets bien plus lointain, c’est la concept de distance qui devient ambigu. En effet, l’univers est aujourd’hui en expansion. Cela signifie que les galaxies ont tendance à s’éloigner les unes des autres, et ce d’autant plus qu’elles sont loin (voir la rubrique L’univers est en expansion...). Ainsi, si l’on envoie un signal vers une galaxie lointaine aujourd’hui située à une distance donnée, le signal parcourra une distance plus grande que celle qui nous sépare aujourd’hui de la galaxie en question, et celle-ci sera située encore plus loin au moment où elle recevra le signal. Il existe par contre une quantité aisément mesurable pour toute galaxie lointaine : le décalage vers le rouge, ou redshift. En effet, comme la vitesse à laquelle les galaxies s’éloignent de nous augmente avec la distance, la connaissance de leur vitesse peut se substituer à celle de leur distance. Or leur vitesse de récession peut être obtenu par effet Doppler, c’est-à-dire le fait que le son ou la lumière que l’on perçoit d’un objet en mouvement dépend de la vitesse à laquelle celui-ci s’approche ou s’éloigne de nous. Pour un objet qui s’éloigne de nous, le redshift est une quantité qui varie entre 0 (quand l’objet est immobile) et l’infini.

Ce qui est par contre difficile à mesurer, c’est la relation entre distance et redshift. Cette relation dépend de l’histoire de l’univers ainso que de la nature et de la densité de la matière qui y est présente. On connaît néanmoins dans les grandes lignes cette relation. Ainsi, un objet présentant un redshift de 1 est à environ 11 milliards d’années lumière, un objet situé à un redshift de 2 est à environ 17 milliards d’années lumière, un objet situé à un redshift de 3 est à environ 21 milliards d’années lumière et les galaxies les plus lointaines que l’on peut observer aujourd’hui (redshift d’environ 6) sont à quelques 27 milliards d’années lumière [2]. Le rayonnement fossile, qui est la lumière la plus lointaine qui nous parvienne aujourd’hui, a été émis depuis une région située aujourd’hui à un peu plus de 45 milliards d’années lumière de nous. Le diamètre de l’univers observable est donc légèrement inférieur à 100 milliards d’années lumière, soit un million de milliards de miliards (1 suivi de 24 zéros...) de kilomètres.

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