Archives mensuelles : avril 2011

L’astrophysique : la physique des astres

J’ai une petite nièce qui veut devenir astrophysicienne, un métier qui peut faire effectivement rêver, mais en quoi consiste le métier d’astrophysicien ?

simu magneto

Premièrement, il faut distinguer les différentes disciplines de l’étude des astres (« astro » en grec) de manière à bien positionner les disciplines les unes par rapports aux autres. A noter que je ne parlerai pas de l’astrologie qui n’est pas une science mais un ensemble de croyances et de traditions humaines qui peuvent varier selon les civilisations.

L’astronomie

L’astronomie est la science qui s’occupe de l’observation et de la mesure des propriétés des astres (leur distance, leur taille, leur intensité, leur composition chimique, etc.) ainsi que de tous les phénomènes extra-terrestres. L’astronomie est donc essentiellement basée sur les techniques d’observation comme les télescopes permettant de détecter des rayonnements électromagnétiques (la lumière, les ondes radios, etc.) issus des différents astres. Voir un précédent billet sur La nature de la lumière ou l’électromagnétisme pour plus de détails
sur le rayonnement électromagnétique.

VLT

Le plus grand système de télescopes du monde en fonctionnement: le
Very Large Telescope (VLT) situé sur un plateau à 2635 m d’altitude au Chili © ESO.

L’astronomie est un domaine très vaste contenant de nombreuses disciplines. On peut distinguer les disciplines selon le type de rayonnement observé (astronomie visible, radio, infrarouge, gamma, neutrino, X, ultraviolet, gravitationnelle) ou selon le type d’objet observé comme les planètes, le soleil, les étoiles, notre galaxie, les objets hors de notre galaxie (galaxies, pulsars, super novae, trous noirs, quasars, etc.). Toutes ces disciplines utilisent des technologies bien spécifiques pour observer et mesurer ces différents objets célestes.

L’astrophysique

L’astrophysique, comme vous l’avez sûrement compris, est un mélange d’astronomie et de physique. Plus précisément, l’astrophysique est une branche entière de la physique s’intéressant à tous les phénomènes physiques qui se produisent dans l’espace.
La différence avec l’astronomie est que l’astrophysique a pour mission d’expliquer les phénomènes mis en jeu au sein des astres et de l’Univers alors que l’astronomie s’intéresse à leur observation. On trouve ainsi différentes branches en astrophysique, selon le sujet d’étude ou selon la théorie utilisée pour expliquer les phénomènes.


La planétologie est la science qui étudie toutes les planètes et autres corps en
orbite
autour d’une étoile comme les satellites naturels, les astéroïdes, les comètes, les micrométéorites (poussières de moins d’un gramme). Il est donc question ici des objets de notre système solaire (la Terre et la Lune incluses) mais également des planètes situées en dehors de notre système solaire depuis la découverte de la première exoplanète en 1995. La planétologie est fortement pluridisciplinaire puisqu’elle s’intéresse à la géologie, la géophysique, la chimie, la cartographie, la climatologie, etc.

L’astrophysique stellaire étudie quant à elle les étoiles. Elle essaye d’expliquer et de comprendre leur naissance, leur développement dans le temps ainsi que leurs structures parfois complexes. Elle fait donc appel à la thermodynamique, la physique des plasmas, la physique nucléaire et l’étude des rayonnements.

L’astrophysique galactique s’intéresse aux galaxies et cherche à connaitre comme pour les étoiles leur formation et leur évolution ainsi que leurs propriétés physiques et leur répartition. La statistique est ainsi fortement utilisée dans cette discipline en plus des autres domaines nécessaires à l’astrophysique stellaire.

 nebuleuse helix

La nébuleuse de l’hélice (aussi appelée l’œil de Dieu) située à 700 années-lumière de la Terre prise par le VLT  © ESO.

La cosmologie est assez emblématique de l’astrophysique grâce à la théorie du Big-bang connue du grand public et très populaire, et parfois vivement controversée (principalement par les créationnistes). La cosmologie s’intéresse comme son nom l’indique au cosmos, c’est-à-dire à l’Univers dans son intégralité (on parlait de cosmos du temps de la Grèce antique, il désignait alors un monde clos ordonné, s’opposant au chaos). Les cosmologistes comme on les appelle essayent de retracer l’histoire de notre Univers vieux de 14 milliards d’années, ce sont un peu les historiens du cosmos. Il ne faut pas oublier que regarder loin dans l’espace revient à regarder loin dans le temps puisque la lumière voyage à une vitesse finie (300 000 km/s). Lorsqu’on regarde une galaxie à 13 milliards d’années-lumière, on la regarde telle qu’elle était il y a 13 milliards d’années (soit quelques centaines de millions d’années seulement après le Big-bang) : il s’agit du temps nécessaire pour que la lumière qu’elle émet atteigne notre œil.

L’astrophysique relativiste permet de comprendre les phénomènes physiques astronomiques qui se déroulent à très haute pression et densité d’énergie ou à des vitesses proches de celles de la lumière comme dans les trous noirs ou les étoiles à neutrons. Ces phénomènes ne sont généralement pas explicables par la physique dite « classique » comme la mécanique newtonienne et doivent faire appel aux théories relativistes comme la relativité générale ou la relativité restreinte, initialement
élaborées par Einstein au début du 20ème siècle.

L’astrophysique nucléaire est une discipline transverse pouvant étudier les étoiles et l’univers lorsque des réactions nucléaires sont réalisées. Le meilleur exemple est la réaction nucléaire de fusion dans les étoiles transformant l’hydrogène en hélium.

L’astrophysique des particules traite les phénomènes des hautes énergies comme l’étude des rayons cosmiques.

 soleil

Le soleil est le siège de puissantes réactions thermonucléaires
de fusion transformant l’hydrogène en hélium. © NASA.


Qui sont les astrophysiciens ?

Les astrophysiciens sont des gens normaux (si si, je vous assure) ayant une formation en physique leur permettant de maîtriser de nombreuses disciplines de la physique telles que la mécanique des fluides, la thermodynamique, la mécanique newtonienne, la mécanique relativiste, la physique des particules, etc. qui sont essentielles pour la compréhension des phénomènes astronomiques très divers et variés.

Aujourd’hui, la majorité des disciplines de l’astrophysique consistent de plus en plus à élaborer des modèles mathématiques basés sur les équations de la physique pour réaliser des simulations numériques sur ordinateurs. Ces simulations permettent de confirmer ou infirmer les différentes théories des astrophysiciens en les comparant avec les observations des astronomes. L’outil informatique et la modélisation sont donc des composantes transverses indispensables à presque toutes les branches de l’astrophysique.

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Simulation de la galaxie NGC 4254 (à droite) reproduisant fidèlement la distribution du gaz et la concentration de gaz de Virgo HI21 observé (à gauche). © CEA/SAp.