L'astronomie peut se pratiquer à la maison, avec de très nombreux outils réels ou virtuels. Ici, nous proposons un parcours à faire seul ou en famille, en utilisant le logiciel Universe Sandbox (http://universesandbox.com/). Un Let's Play scientifique est disponible en fin de page pour vous guider dans la découverte. 

Le Système Solaire est composé de corps célestes de tailles, de formes, de densités, de températures et de nature très différentes. Il se résume généralement à l’étoile (le Soleil) et les huit planètes principales qui lui tournent autour. Cette simplification décrit le Système avec seulement deux types d’astres différents, étoile et planète, que nous allons détailler ici.

De la poussière et de la lumière

Commençons notre voyage au cœur du Système Solaire. Le Soleil est l’étoile de notre système planétaire. Il est constitué de gaz (hydrogène et hélium essentiellement) chauffé à plusieurs milliers de degrés. Il est l’objet le plus important du système, tant en terme de taille que de masse. Plaçons les planètes en rang, alignées à côté du Soleil. Il apparaît alors clairement que celles-ci ont une taille dix à cent fois inférieure à celle de l’étoile ! Nos planètes imposantes ne sont en réalité que très peu de chose lorsqu'on les compare au Soleil.

Observons de nouveau cette scène. Un autre paramètre caractéristique de l’étoile est également remarquable dans cette comparaison : le Soleil est le seul astre à émettre une lumière visible, les planètes ne font que réfléchir la lumière du Soleil. Une étoile fabrique de la lumière visible qui éclaire son cortège de planètes.

Semblables mais différents

Entrons maintenant dans les détails. Comparons le Soleil, Jupiter et la Terre. Les caractéristiques de ces trois objets sont données dans le tableau ci-dessous.

En analysant ces nombres, on remarque que le Soleil a un rayon 110 fois plus grand que la Terre, et 10 fois plus grand que Jupiter.  Sa taille est colossale, son volume permettrait de contenir un million de planètes Terre ! Cependant, bien que possédant un rayon 10 fois inférieure au Soleil, Jupiter n’est pas 10 foins moins lourde : la masse dépend de la quantité de matière, et donc du volume ! C’est justement la taille considérable du Soleil qui lui donne une masse aussi importante. Bien que constitué de gaz, cette sphère gigantesque pèse l’équivalent de 333 000 planètes Terre, ou 1048 planètes Jupiter. Pour résumer et remettre les choses à une échelle plus accessible : si le Soleil avait la masse de la Tour Eiffel  (environ 7300 tonnes), notre planète Terre serait aussi lourde que deux pack d’eau (environ 20kg)… Tandis que Jupiter serait l’équivalent d’un petit camion (environ 7 tonnes)!

Allons maintenant plus loin en introduisant un nouveau paramètre : la densité. On peut définir la densité d’un objet comme étant la masse contenue dans un certain volume. L’eau liquide par exemple, a une masse de 1000 kg par mètre cube. Ainsi, le Soleil possède une masse de 1,99.10³⁰ kilogrammes pour un volume de matière de 1,44.10¹⁸ kilomètres cube. Ces chiffres gigantesques n’ont pas beaucoup de sens. Mais il est possible de ramener ces valeurs à une échelle plus facile à appréhender. Pour cela, il suffit de réduire le volume étudié : pour le Soleil, 1 m³ de matière pèse 1372 kg. L’équivalent d’une voiture dans une caisse d’un mètre de côté !

Jupiter possède  une densité équivalente : 1 m³ pèse 1326 kg, aussi lourd qu'un mètre cube de Soleil. Ce résultat est important : bien que de taille et de masse très différente, Jupiter et le Soleil possède la même densité. Un volume de leur matière respective possède la même masse. Cette information nous permet d’en déduire que leur matière est la même : le Soleil et la planète Jupiter sont tous les deux composés de gaz.

Jetons un œil aux valeurs de notre propre planète. La Terre a une densité bien plus importante, d’environ 5500 kg/m3 ! Une telle masse pour un si petit volume indique que la Terre ne peut pas être constituée de gaz. En regardant sa constitution, la planète est en effet constituée de matériaux plus dense : 75% de roche (silicates des couches supérieures), et environ 25% de fer (noyau). L’eau, qui recouvre la surface de notre planète, ne représente en réalité que près de 0,002% de la composition de la Terre. Ce type de planètes solides est appelé planètes telluriques, en opposition aux planètes gazeuses comme Jupiter.

Et la lumière fut

Revenons cependant sur un point important. Nous avons vu que bien que très différentes en taille ou en masse, Jupiter le Soleil sont toutes les deux constituées de gaz, avec une densité très proche. Pourtant, l’une est une étoile et l’autre une planète gazeuse. Quelle est alors la différence entre une étoile et une planète gazeuse ? Un morceau de la réponse a peut-être déjà été évoqué précédemment. Rappelez-vous : le Soleil émet de la lumière visible, mais pas Jupiter.

Dans ce cas, pourquoi le gaz de notre étoile émet-il de la lumière ? La réponse est étonnamment simple : parce qu’il est chaud !

La température en surface du Soleil est d'environ 5500°C tandis que celle de Jupiter est de seulement -167°C ! Mais pourquoi le Soleil est-il aussi chaud ? Notre étoile est en fait tellement massive que son poids comprime la matière, jusqu'à atteindre une agitation thermique dans le cœur suffisante pour que les atomes fusionnent. Les briques de matière se transforment, se complexifient dans le cœur de l'étoile, là où la température et la pression sont les plus élevées. Les réactions de fusion thermonucléaire dégagent une énergie colossale, chauffant les atomes des couches supérieures qui en contrepartie émettent des photons, autrement dit, de la lumière. A contrario, Jupiter n'est pas assez massive pour que la pression dans son cœur lui permette de fusionner la matière, de réchauffer les atomes des couches extérieures et ainsi de rayonner en lumière visible.

Livrons-nous maintenant à une petite expérience théorique : si l'on augmente artificiellement la température en surface de Jupiter, jusqu'à atteindre 1000°C par exemple - ce qui témoignerait d'une température dans le cœur de la planète encore plus élevée - on remarque que Jupiter commence à émettre de la lumière visible ! Une lumière d’une couleur rougeâtre... Continuons à augmenter la température. En donnant une température de 5500°C à la surface de Jupiter, la planète émet une lumière comparable en intensité et en couleur à celle du Soleil. Pour finir, en élevant la température de surface à 9000°C, la couleur de la lumière qu'émet notre Jupiter est d'un bleu comparable à la lumière d'une étoile comme Sirius. Plus les étoiles sont bleues et plus elles sont chaudes en surface ! C'est finalement l'inverse des robinets de salle de bains…

Pour émettre de la lumière comme le Soleil, il faut donc être suffisamment chaud, et par conséquent suffisamment massif. Existe-il cependant des astres aussi massifs que le Soleil qui n’émettent pas de lumière ?

Piège à lumière

La réponse porte le nom d'un astre que vous connaissez certainement : le trou noir stellaire. Porteur de tous les fantasmes de la science-fiction, ce type d'objet existe bel et bien dans notre univers. On le nomme ainsi car il résulte de l'effondrement d'une étoile sur elle-même : toute la masse de l'étoile est concentrée dans un tout petit rayon de quelques kilomètres. Noir ? Car bien qu'aussi massif qu'une étoile, il n'émet pas de lumière...

Pour comprendre cette particularité, revenons sur Terre. Afin d'échapper à l'attraction de la Terre qui vous visse à votre fauteuil, il faudrait sauter à la vitesse d’environ 11,2 km/s. Avec cette vitesse, vous pourriez vous échapper de la gravitation de notre planète et partir librement dans l'espace lointain... Cette vitesse limite s’appelle la vitesse de libération. Elle dépend de la masse de l'objet attracteur et de son rayon. En dessous de cette vitesse, vous resteriez dans le voisinage de notre planète, sans pouvoir échapper à son attraction.           
Calculons maintenant la vitesse de libération pour un objet de la masse du Soleil, mais d'un rayon de seulement 2,95 km, soit environ la distance Palais de la Découverte - Musée du Louvre :

où G est la constante universelle de gravitation (6,67.10^-11 m³.kg^-1.s^-2), M la masse de l'objet attracteur et R son rayon. Dans notre exemple, M est la masse du Soleil et R vaut 2950 m, soit une vitesse de libération de 299 981 000 m/s.

Nous obtenons donc une vitesse gigantesque, supérieure à la vitesse de la lumière elle-même ! La lumière parcours l'espace avec une vitesse de 299 792 458 m / s. Ainsi, même si de la lumière était créée à l'intérieur du trou noir, sa vitesse serait inférieure à la vitesse de libération ; elle ne pourrait alors pas s'échapper du trou noir !

Imaginons maintenant qu'au centre de notre système solaire, et à la place du Soleil, réside un trou noir de la même masse que notre étoile : exactement une masse solaire. La Terre serait-elle aspirée par ce « trou » dans l'espace-temps ?

En réalité, non ! Nous observons qu'elle ne dévie pas, qu'elle ne spirale pas vers le trou noir, qu'elle continue sa course comme si de rien n'était ! Ce qui régit le mouvement des astres dans l’univers, c'est la gravitation, qui dépend de la masse des objets. Peu importe que ces astres soient un trou noir ou une étoile. La masse au centre du système solaire n'ayant pas changé, la Terre n'a aucune raison de dévier de son orbite initiale.           

Cependant, avec le changement que nous avons opéré, un paramètre de la Terre est en train de varier drastiquement : le Soleil n'étant plus là pour réchauffer notre planète, la température en surface chute jusqu'à transformer notre belle planète bleue en un astre gelé …