Les questions du Cinq du jour sur l'univers et la physiqueréponses expliquées

Base réelle

• Combien de temps la lumière du Soleil met-elle pour aller de la surface du Soleil à la Terre ? Réponse : environ 8 minutes 20 secondes. La distance moyenne Terre–Soleil est d'environ 150 millions de km, et la lumière met environ 499 secondes à la parcourir. Le Soleil que tu vois est toujours celui d'il y a un peu plus de 8 minutes.

• Quelle est aujourd'hui la température du fond diffus cosmologique ? Réponse : environ 2,7 K. Environ 2,725 K. Il est né quand l'univers avait 380 000 ans et environ 3000 K, et depuis, l'expansion de l'univers l'a étiré et refroidi d'un facteur d'environ 1100.

• Quel âge a l'univers environ ? Réponse : environ 13,8 milliards d'années. 4,6 milliards d'années, c'est l'âge du système solaire ; 46 milliards d'années-lumière, c'est le rayon de l'univers observable, pas un âge.

• L'univers n'a que 13,8 milliards d'années, pourtant l'univers observable a un rayon d'environ 46 milliards d'années-lumière. Pourquoi ? Réponse : l'univers a continué de s'étendre pendant que la lumière voyageait. La lumière a voyagé 13,8 milliards d'années, et pendant ce temps l'endroit d'où elle est partie a été repoussé encore plus loin par l'expansion. La vitesse de la lumière n'a jamais changé.

• À part le Soleil, quelle est l'étoile la plus brillante du ciel nocturne ? Réponse : Sirius. Sirius, à environ 8,6 années-lumière. L'étoile Polaire ne se classe qu'autour de la 50e en luminosité ; elle est célèbre parce qu'elle bouge à peine.

• Combien de temps vit environ une étoile de 20 masses solaires ? Réponse : environ 10 millions d'années. Plus elle est massive, plus elle brûle fort : la durée de vie est à peu près inversement proportionnelle à la masse puissance 2,5. Le Soleil vit environ 10 milliards d'années, et les plus petites naines rouges vivent des milliers de milliards d'années.

• Quel est l'élément le plus abondant de l'univers ? Réponse : l'hydrogène. En nombre d'atomes, environ 92 % sont de l'hydrogène, et en masse environ 74 %. La plus grande partie est un reste des toutes premières minutes après le Big Bang.

• D'où viennent le plus probablement les atomes d'or de vos bijoux ? Réponse : d'événements violents comme les fusions d'étoiles à neutrons. Les éléments plus lourds que le fer demandent beaucoup de neutrons pour se former. L'événement d'ondes gravitationnelles de 2017, GW170817, a permis de voir pour la première fois directement des fusions d'étoiles à neutrons forger des éléments lourds.

• Quelle est l'étoile la plus proche du Soleil ? Réponse : Proxima du Centaure. Proxima du Centaure, à environ 4,24 années-lumière. C'est la plus petite naine rouge du système triple d'Alpha du Centaure, et une planète a été trouvée autour d'elle en 2016.

• Qu'est-ce que l'« horizon des événements » d'un trou noir ? Réponse : la frontière au-delà de laquelle même la lumière ne peut s'échapper. L'horizon n'est pas une surface physique. Pour un très grand trou noir, quelqu'un qui franchit l'horizon peut ne rien remarquer sur le moment, mais ne peut plus jamais en sortir.

• Quel trou noir figurait sur la première image d'un trou noir, publiée en 2019 ? Réponse : le trou noir au centre de la galaxie M87. L'Event Horizon Telescope a relié des radiotélescopes du monde entier en un seul télescope « grand comme la Terre ». L'image du trou noir au centre de la Voie lactée a été publiée en 2022.

• Pourquoi les étoiles « scintillent »-elles ? Réponse : la turbulence de l'atmosphère terrestre. Des masses d'air de températures différentes agissent comme des lentilles mouvantes, rendant la lumière des étoiles plus forte puis plus faible. Une planète apparaît comme un petit disque, donc elle scintille moins.

• Pourquoi la Lune montre-t-elle toujours la même face à la Terre ? Réponse : la période de rotation de la Lune est égale à sa période orbitale. C'est ce qu'on appelle le verrouillage gravitationnel. La Lune tourne une fois en environ 27,3 jours, exactement le temps qu'elle met à faire le tour de la Terre.

• Environ combien d'étoiles compte la Voie lactée ? Réponse : environ 100 à 400 milliards. L'estimation se situe entre 100 et 400 milliards. La fourchette est si large parce que les naines rouges faibles sont difficiles à compter.

• Que deviendra finalement le Soleil ? Réponse : une naine blanche. Le Soleil n'est pas assez massif ; il gonflera d'abord en géante rouge, rejettera une nébuleuse planétaire, et laissera finalement une naine blanche de la taille de la Terre.

• Pourquoi l'univers était-il « opaque » pendant ses 380 000 premières années ? Réponse : des électrons libres diffusaient sans cesse les photons. Il faisait alors trop chaud, et les électrons n'avaient pas encore été capturés par les noyaux. Quand il a refroidi jusqu'à environ 3000 K, les atomes se sont formés et la lumière a pu voyager librement. Cette lumière est le fond diffus cosmologique d'aujourd'hui.

• Quelle fraction de toute la matière de l'univers est de la matière noire, environ ? Réponse : environ 85 %. Environ 85 %. Les atomes que nous connaissons ne forment qu'une petite partie de la matière, et la matière noire n'a été détectée jusqu'ici que par la gravité.

• Qu'a publié Hubble en 1929 ? Réponse : plus une galaxie est lointaine, plus vite elle s'éloigne de nous. En 1924, il avait d'abord montré qu'Andromède se trouve hors de la Voie lactée, et en 1929 il a publié la relation selon laquelle la vitesse de récession est proportionnelle à la distance. Lemaître avait déjà établi cette relation en 1927.

• À quelle vitesse Voyager 1 se déplace-t-elle environ maintenant ? Réponse : environ 17 km par seconde. Environ 17 km par seconde. À cette vitesse, atteindre Proxima du Centaure prendrait environ 75 000 ans.

• Lequel de ces objets ne s'est pas formé dans le système solaire ? Réponse : ʻOumuamua. ʻOumuamua, découvert en 2017, est le premier objet interstellaire connu. Il vient d'un autre système stellaire et s'en va maintenant.

• Que signifie l'« horizon des événements cosmologique » ? Réponse : la lumière émise aujourd'hui par certaines galaxies ne nous atteindra jamais. L'univers est en expansion accélérée, et les galaxies assez lointaines s'éloignent si vite que la lumière qu'elles émettent aujourd'hui ne pourra jamais nous rattraper. L'univers là-bas n'a pas pris fin.

• Quelle est la plus grande différence entre les premières étoiles (population III) et les étoiles d'aujourd'hui ? Réponse : elles ne contiennent presque aucun élément plus lourd que l'hélium. Il n'y avait pas encore d'éléments lourds dans l'univers. Elles étaient peut-être extrêmement massives et de très courte vie, et aucune n'a encore été confirmée par observation directe.

• Combien pèse environ une cuillère à café de matière d'étoile à neutrons ? Réponse : des milliards de tonnes. La densité d'une étoile à neutrons est d'environ 4×10¹⁷ kg par mètre cube, donc une cuillère à café (environ 5 mL) pèse environ 2 milliards de tonnes.

• Lors de la première détection d'ondes gravitationnelles en 2015, de combien les bras de 4 km de LIGO ont-ils changé de longueur ? Réponse : environ un millième du diamètre d'un proton, soit environ 10⁻¹⁸ m. Pour mesurer un changement si minuscule, LIGO doit s'isoler des séismes, de la circulation et même des vibrations des vagues de l'océan.

• Pourquoi le ciel est-il bleu ? Réponse : les molécules d'air diffusent plus facilement la lumière de courte longueur d'onde. C'est la diffusion de Rayleigh. Au coucher du soleil, la lumière traverse plus d'atmosphère, la lumière bleue est diffusée ailleurs, et il reste le rouge et l'orange.

• De quoi un atome est-il fait en grande partie ? Réponse : de vide. Le noyau ne fait qu'environ un cent-millième du diamètre de l'atome. Si un atome avait la taille d'un stade de football, le noyau serait comme un petit pois au centre du terrain.

• Pourquoi l'eau est-elle H₂O et non HO ? Réponse : un atome d'oxygène a besoin de deux électrons de plus pour être stable. L'oxygène a 6 électrons sur sa couche externe, et en partager 2 de plus la remplit, donc il partage une paire d'électrons avec chacun de deux atomes d'hydrogène.

• En masse, quel est l'élément le plus abondant sur Terre ? Réponse : le fer. En comptant le noyau, le fer représente environ un tiers de la masse de la Terre. En ne regardant que la croûte, le plus abondant est l'oxygène.

• De quoi le diamant et le graphite sont-ils tous deux faits ? Réponse : de carbone. Ce sont les mêmes atomes de carbone agencés différemment : dans le diamant chaque atome de carbone est lié à quatre voisins, et dans le graphite les atomes forment des couches d'hexagones.

• Quel a été le premier élément fabriqué artificiellement ? Réponse : le technétium. Il a été trouvé en 1937 dans une feuille de molybdène mise au rebut d'un cyclotron. Son nom vient du grec pour « artificiel ».

• Pourquoi le fer est-il le point final de la fusion stellaire ? Réponse : fusionner du fer ne libère plus d'énergie. Les noyaux autour du fer 56 sont les plus fortement liés. Fusionner quoi que ce soit de plus lourd absorbe de l'énergie, donc dès que le cœur d'une étoile massive se remplit de fer, il s'effondre.

• À quelle vitesse la lumière se propage-t-elle environ dans le vide ? Réponse : 300 000 km par seconde. La valeur exacte est de 299 792 458 mètres par seconde. Depuis 1983, le mètre est défini à partir de la vitesse de la lumière.

• Que dit E = mc² ? Réponse : la masse et l'énergie peuvent se convertir l'une en l'autre. Convertir complètement 1 gramme de matière en énergie donne environ 9×10¹³ joules, soit environ 20 000 tonnes de TNT.

• Où le boson de Higgs a-t-il été découvert en 2012 ? Réponse : au Grand collisionneur de hadrons. Le Grand collisionneur de hadrons du CERN. Sa découverte a confirmé le mécanisme par lequel les particules acquièrent leur masse, et le prix Nobel de physique 2013 est allé aux physiciens qui ont proposé ce mécanisme.

• Combien vaut le zéro absolu en degrés Celsius ? Réponse : −273,15 °C. −459,67 est en degrés Fahrenheit. On peut approcher le zéro absolu sans limite mais jamais l'atteindre ; c'est le troisième principe de la thermodynamique.

• Combien de neutrinos solaires traversent environ une surface grande comme votre ongle chaque seconde ? Réponse : environ 60 milliards. Environ 60 milliards par centimètre carré et par seconde. Presque tous vous traversent, vous et la Terre, sans laisser de trace.

• L'intrication quantique peut-elle servir à envoyer de l'information plus vite que la lumière ? Réponse : non. Les résultats de mesure aux deux extrémités d'une paire intriquée sont corrélés, mais chaque extrémité prise seule paraît aléatoire. Il faut comparer les deux séries de résultats par un signal ordinaire avant de voir la corrélation. C'est le théorème de non-communication.

• Que devait montrer à l'origine le « chat de Schrödinger » ? Réponse : pousser la superposition quantique jusqu'au monde macroscopique paraît absurde. Schrödinger l'a proposé en 1935 comme critique de l'interprétation de la mécanique quantique alors en vogue, mais il est devenu l'image la plus connue de la mécanique quantique.

• Que dit le second principe de la thermodynamique ? Réponse : l'entropie d'un système isolé ne diminue pas. La chaleur passe spontanément du chaud au froid, et non l'inverse. Il donne une direction au temps.

• Pourquoi l'eau bout-elle en dessous de 100 °C en haute montagne ? Réponse : la pression de l'air est basse. Plus la pression est basse, plus les molécules d'eau s'échappent facilement. Au sommet de l'Everest, l'eau bout à environ 70 °C.

• Pourquoi un miroir échange-t-il la gauche et la droite mais pas le haut et le bas ? Réponse : ce qu'un miroir inverse vraiment, c'est l'avant et l'arrière. Le miroir inverse la direction perpendiculaire à sa surface. Nous imaginons la personne dans le miroir comme quelqu'un qui s'est retourné pour nous faire face, et c'est pour cela que la gauche et la droite semblent inversées.

• Les protons d'un noyau portent tous une charge positive, alors pourquoi ne se repoussent-ils pas ? Réponse : l'interaction forte les tient ensemble. À l'échelle du noyau, l'interaction forte est bien plus puissante que la répulsion électromagnétique, mais sa portée est extrêmement courte, et hors du noyau elle disparaît presque.

• Qu'est-ce qu'une « demi-vie » ? Réponse : le temps au bout duquel la moitié des noyaux se sont désintégrés. La demi-vie du carbone 14 est d'environ 5 730 ans, ce qui permet de dater des matières organiques vieilles de quelques dizaines de milliers d'années au plus.

Recherches liées

Ces études sont liées au sujet mais ne prouvent pas directement le contenu de cette page.

• L'univers est en expansion: Hubble a trouvé que plus une galaxie est loin, plus elle s'éloigne vite. L'univers n'est pas statique : il est en expansion.

  Source : Hubble, PNAS 1929, "A relation between distance and radial velocity among extra-galactic nebulae"

• L'atome primitif: Lemaître a proposé indépendamment que l'univers est en expansion, puis imaginé qu'il avait commencé comme un « atome primitif », précurseur de la théorie du Big Bang.

  Source : Lemaître, Annales de la Société Scientifique de Bruxelles 1927, "Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant"

• À la recherche du boson de Higgs: Le Grand collisionneur de hadrons a trouvé une nouvelle particule vers 125 GeV, confirmant une prédiction faite 48 ans plus tôt.

  Source : ATLAS Collaboration, Physics Letters B 2012, "Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC"

• Fond diffus cosmologique: Deux chercheurs des Bell Labs n'arrivaient pas à éliminer le bruit de leur antenne, et ont fini par comprendre que c'était la rémanence du Big Bang. Ils ont reçu le prix Nobel 1978.

  Source : Penzias & Wilson, The Astrophysical Journal 1965, "A measurement of excess antenna temperature at 4080 Mc/s"

• L'ombre d'un trou noir: Des radiotélescopes du monde entier ont formé un « télescope virtuel » grand comme la Terre et photographié l'ombre du trou noir au centre de M87.

  Source : Event Horizon Telescope Collaboration, The Astrophysical Journal Letters 2019, "First M87 Event Horizon Telescope Results. I. The shadow of the supermassive black hole"

• Ondes gravitationnelles: Deux trous noirs ont fusionné il y a 1,3 milliard d'années, et les ondulations de l'espace-temps ont enfin été entendues par l'humanité, confirmant la prédiction d'Einstein faite un siècle plus tôt.

  Source : Abbott et al. (LIGO & Virgo), Physical Review Letters 2016, "Observation of gravitational waves from a binary black hole merger"

• La recette de l'univers: Le satellite Planck a mesuré les minuscules fluctuations du fond diffus cosmologique : la matière ordinaire représente environ 5 % de l'énergie totale de l'Univers, la matière noire environ 27 %, et le reste est de l'énergie noire.

  Source : Planck Collaboration, Astronomy & Astrophysics 2020, "Planck 2018 results. VI. Cosmological parameters"