[PDF] INTRODUCTION A LASTRONOMIE 10 nov. 2011 Le premier

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INTRODUCTION A

L'ASTRONOMIE

par Jean-Pierre Rivet

CNRS, Observatoire de la C^ote d'Azur

(jean-pierre.rivet@oca.eu)

10 novembre 2011

(En cours d'elaboration) \La nature a des lois simples, mais le langage qui permet de les decrire doit ^etre riche." (Pierre-Simon de Laplace, le 20 janvier 1795) 1

Avertissement et guide de lecture

Ce qui suit n'a en aucune fa¸con la pr´etention d'ˆetre un cours d'astronomie complet et

structur´e. Ce n'est qu'un ensemble de points de rep`ere et d'´el´ements de culture g´en´erale

en astronomie et en m´ecanique c´eleste.

Certaines parties ´ecrites en petits caract`eres pourront ˆetre abord´ees en seconde lecture.

Elles renferment en effet des consid´erations importantes, mais plus d´elicates `a appr´ehender,

et plus techniques. Le premier chapitre est consacr´e `a des rappels de notions ´el´ementaires sur les angles,

la trigonom´etrie, et sur le syst`eme Terre-Soleil-Lune. Il peut ˆetre omis en premi`ere lecture.

Chaque chapitre se termine par une synth`ese "minimale" des connaissances essentielles du chapitre. Le but de cette synth`ese est de r´ecapituler les informations pour m´emoire, mais sa lecture ne saurait se substituer `a une lecture compl`ete du chapitre.

L'ouvrage est compl´et´e par une liste alphab´etique de noms propres li´es `a l'histoire de

l'astronomie, avec pour chacun une tr`es br`eve notice biographique (Chapitre 10). Cette liste est suivie par un glossaire expliquant certains termes couramment utilis´es en astro- nomie (Chapitre 11). Figure ´egalement en fin de ce document au Chapitre 12, une liste chronologique (in-

compl`ete et arbitraire) d'´ev´enements importants qui ont jalonn´e l'histoire de l'astronomie.

2

Table des matieres

1 Rappel de notions de base7

1.1 Rappels de g´eom´etrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1.1 Angle entre deux demi-droites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1.2 Angle entre deux droites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1.3 Angle entre deux plans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1.4 Angle de rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.1.5 Bases de trigonom´etrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.1.6 Applications : diam`etre apparent et parallaxe . . . . . . . . . . . . . 10

1.2 Rappels sur le syst`eme Terre-Soleil-Lune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.1 La rotation propre de la Terre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.2.2 Le mouvement orbital de la Terre autour du Soleil . . . . . . . . . . 18

1.2.3 Le mouvement orbital de la Lune autour de la Terre . . . . . . . . . 18

1.2.4 Les saisons et la dur´ee du jour et de la nuit. . . . . . . . . . . . . . . 20

1.2.5 Les ´eclipses de Lune et de Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

1.3 Synth`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2 Les objets du ciel33

2.1 Le ciel `a l'oeil nu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.1.1 Les objets artificiels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.1.2 Les ´etoiles et constellations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.1.3 Les plan`etes, le Soleil et la Lune . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.1.4 Les objets temporairement visibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.1.5 La Voie Lact´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2 Le ciel au travers d'un instrument . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2.1 Les plan`etes lointaines et les petits corps du syst`eme solaire. . . . . 35

2.2.2 Les amas ouverts ou amas galactiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2.3 Les amas globulaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.2.4 Les n´ebuleuses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.2.5 Les galaxies et amas de galaxies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.2.6 Les quasars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.3 Les objets non visibles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.4 Synth`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3 Rep`eres historiques et "sociologiques"55

3.1 Racines profondes de l'astronomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.2 L'´epoque antique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.3 Le moyen ˆage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.4 La Renaissance : la fin du g´eocentrisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3

4TABLE DES MATIERES

3.5 L'`ere de la m´ecanique c´eleste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.6 L'av`enement de l'astrophysique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.7 L'´epoque de l'astronomie spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.8 Synth`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4 Le temps et l'espace63

4.1 Le temps en astronomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.1.1 Les calendriers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.1.2 Les d´efinitions de la seconde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.1.3 Les ´echelles de temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.2 L'espace en astronomie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.2.1 Les unit´es de mesure des distances en astronomie . . . . . . . . . . . 71

4.2.2 Les syst`emes de rep´erage spatial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

4.3 Synth`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

5 Les bases de la m´ecanique c´eleste87

5.1 Les interactions fondamentales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

5.2 La m´ecanique de Newton et Galil´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5.2.1 La notion de r´ef´erentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5.2.2 La notion de r´ef´erentiel galil´een . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

5.2.3 Les lois fondamentales de la m´ecanique classique . . . . . . . . . . . 90

5.3 Les lois de Kepler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5.3.1 Rappel historique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

5.4 Le probl`eme `a un corps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5.4.1 D´emonstration des lois de Kepler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

5.4.2 Les six ´el´ements orbitaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

5.4.3 EXERCICE : La masse du Soleil (version I) . . . . . . . . . . . . . . 97

5.5 Le probl`eme `a deux corps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

5.5.1 EXERCICE : La masse du Soleil (version II) . . . . . . . . . . . . . 101

5.6 Le probl`eme `aNcorps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103

5.7 Synth`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

6 Le syst`eme solaire en quelques images107

6.1 Vue d'ensemble . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6.2 Vues individuelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

6.3 Synth`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

7 Le Soleil139

7.1 L'´etoile Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

7.1.1 Caract´eristiques physiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

7.1.2 La source de l'´energie solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

7.1.3 Le destin du Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

7.1.4 L'activit´e solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

7.1.5 La composition chimique du Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

7.2 Structure du Soleil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

7.2.1 Vision globale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

7.2.2 Le coeur nucl´eaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143

7.2.3 La zone radiative . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

7.2.4 La zone convective . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

TABLE DES MATIERES5

7.2.5 La photosph`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

7.2.6 La chromosph`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

7.2.7 La couronne solaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

7.3 Le Soleil et la Terre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

7.3.1 Le Soleil source de vie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

7.3.2 Le Soleil source d'´energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

7.3.3 Le Soleil source de danger . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

7.3.4 Le Soleil pour mesurer le temps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

7.3.5 Les aurores bor´eales et les orages g´eomagn´etiques . . . . . . . . . . . 147

7.4 Synth`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

8 Les instruments de l'Astronomie161

8.1 Les sources d'information de l'astronome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

8.2 Les instruments collecteurs de lumi`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

8.2.1 La lunette de Galil´ee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163

8.2.2 La lunette de Kepler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

8.2.3 Le t´elescope de Newton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164

8.2.4 Le t´elescope de Cassegrain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

8.2.5 Comparatif . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165

8.3 Les instruments d'analyse de la lumi`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

8.3.1 Les spectrographes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

8.3.2 Les polarim`etres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

8.4 Les r´ecepteurs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

8.5 Synth`ese . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173

9 Pour en savoir plus...175

9.1 Sites Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

9.2 Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176

10 Personnages c´el`ebres179

11 Glossaire183

12 Chronologie193

12.1 L'´epoque antique et le g´eocentrisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

12.2 Le moyen-ˆage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

12.3 La renaissance et l'h´eliocentrisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

12.4 L'ˆage d'or de la m´ecanique c´eleste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195

12.5 L'`ere de l'astrophysique et de la cosmologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

12.6 L'`ere de l'astronomie spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196

6TABLE DES MATIERES

Chapitre 1

Rappel de notions de base

Ce chapitre est consacr´e `a quelques rappels simples sur des notions de base en g´eom´etrie

et en cosmographie du syst`eme Terre-Soleil-Lune. Ces notions tr`es´el´ementaires sont parfois

maˆıtris´ees de mani`ere floue par les ´etudiants, ce qui peut gˆener la compr´ehension des bases

de l'astronomie. Cela dit, l'´etude de ce chapitre peut ˆetre remise en seconde lecture. Il peut

aussi ˆetre consult´e en cours de lecture des chapitres suivants, pour d'´eventuelles mises au

point et pr´ecisions.

1.1 Rappels de geometrie

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