Historique

L'astronomie est considérée comme la plus ancienne des sciences. L'archéologie révèle en effet que certaines civilisations disparues de l'âge du bronze, et peut-être du néolithique, avaient déjà des connaissances en astronomie. Elles avaient compris le caractère périodique des équinoxes et sans doute leur relation avec le cycle des saisons, elles savaient également reconnaître certaines constellations. L'astronomie moderne doit son développement à celui des mathématiques depuis l'antiquité grecque et à l'invention d'instruments d'observation à la fin du Moyen Âge. Si l'astronomie s'est pratiquée pendant plusieurs siècles parallèlement à l'astrologie, le siècle des lumières et la redécouverte de la pensée grecque a vu naître la distinction entre la raison et la foi, si bien que l'astrologie n'est plus pratiquée par les astronomes.

Antiquité

À ses débuts, l'astronomie consiste simplement en l'observation et la prédiction du mouvement des objets célestes visibles à l'œil nu. Néanmoins nous devons à ces différentes civilisations de nombreux apports et découvertes :

Dans la Haute antiquité

• Préalables :
  • Inutile de le préciser : si toutes les observations se faisaient à l'œil nu, les anciens étaient aidés dans cette tâche par l'absence de pollution industrielle et surtout lumineuse. Pour cette raison, la plupart des observations à l'antique seraient impossibles aujourd'hui.
  • Il ne faut pas s’y tromper, ces observations parfois relativement simples en apparence (simple dessin de quatre ou cinq astres), supposent déjà une haute avancée dans la Civilisation, à savoir l’existence d’un ensemble regroupant au minimum :

    une écriture ou tout au moins de son ébauche, une (proto-écriture regroupant conjointement un ensemble de signes représentant les principaux objets et évènements) et un « système » comprenant une cosmogonie, une cosmologie, une carte du ciel connu sans oublier un calendrier (parfois très développé) et un observatoire, celui-ci souvent rudimentaire. Sans ces préalables, il ne saurait exister d’observation astronomique enregistrable.

  • Durant des millénaires, l'astronomie ne fut pas séparée de l'astrologie, qui en était d'ailleurs le primum - movens. Le divorce n'interviendra qu'au siècle des lumières pour se perpétuer de nos jours.
• Les systèmes les mieux connus sinon les plus développés sont :
  • au Néolithique : tous les grands cercles mégalithiques sont en fait des observatoires astronomiques, citons les plus connus : Nabta Playa vieux de 6 000 à 6 500 ans et Stonehenge (Wiltshire, Angleterre) 1 000 ans plus tard. Flammarion, qui le comprit l’un des premiers, parlera au sujet des cercles mégalithiques de « monuments à vocation astronomique » et d'« observatoires de pierre ».

Stonehenge

• aux débuts de l’Histoire :
  • dans l'ancien monde :
    • l'astronomie indienne et chinoise : ainsi, le Rig-Veda mentionne 27 constellations associées au mouvement du Soleil ainsi que les 13 divisions zodiacales du ciel.
    • l'astronomie sumérienne, et ses dérivées les astronomies chaldéenne, mésopotamienne, égyptienne et hébraïque. Si bien que la Bible contient un certain nombre d'énoncés au sujet de la position de la Terre dans l'Univers et sur la nature des étoiles et des planètes.
  • dans le nouveau monde, les astronomies amérindiennes sont aussi déjà très développées notamment la Toltèque, la Zapotèque (assez proche) et la Maya tout à fait originale. Ainsi, sans aucun instrument optique, l'astronomie Maya avait réussi à décrire avec précision les phases et éclipses de Vénus !

Dans l’Antiquité classique

• Les anciens Grecs apportent d'importantes contributions à l'astronomie, notamment la définition du système de magnitude. Ainsi, l’Almageste de Ptolémée (90 - 168) contient déjà une liste de quarante-huit constellations.
• Pour naviguer sur mer mais aussi dans le désert, les Civilisation arabes avaient besoin de données très précises. Dérivé de l'astronomie indienne, l'astronomie arabe culminera en 500, avec l'Âryabhata qui présente un système mathématique quasi-copernicien, dans lequel la Terre tourne sur son axe et considère le mouvement des planètes par rapport au Soleil. Ceci près de 1 000 ans avant l'Occident !

Moyen Âge

À cette époque, l'astronomie ne peut être étudiée sans l'apport d'autres sciences qui lui sont complémentaires et nécessaires : les mathématiques (géométrie, trigonométrie), ainsi que la philosophie. Elle sert au calcul du temps.

Sur les sciences et l'éducation en général au Moyen Âge :

Haut Moyen Âge

Il faut signaler le rôle de Boèce comme fondateur dès le VIe siècle du quadrivium, qui inclut l'arithmétique, la géométrie, la musique et l'astronomie.

Après les invasions barbares, l'astronomie se développe relativement peu en occident.

Elle est par contre florissante dans le monde musulman à partir du IXe siècle :

• l'astronome persan al-Farghani (805–880) écrit beaucoup sur le mouvement des corps célestes ; Il effectue une série d'observations qui lui permettent de calculer l'obliquité de l'écliptique ;
• Al-Kindi (801–873), philosophe et scientifique encyclopédique, écrit 16 ouvrages d'astronomie ;
• Al-Battani (855–923), astronome et mathématicien ;
• Al-Hasib Al Misri (850–930), mathématicien égyptien ;
• Al-Razi (864–930), scientifique iranien ;
• Al-Farabi (872–950) grand philosophe et scientifique.

À la fin du Xe siècle, un grand observatoire est construit près de Téhéran par l'astronome al-Khujandi.

La philosophie (Platon et Aristote) fait partie intégrante, avec l'ensemble des autres sciences (médecine, géographie, mécanique, etc.). De ce grand mouvement de renaissance appelé âge d'or de la civilisation arabo-musulmane.

 siècle développa en occident les arts libéraux (trivium et quadrivium). Il établit les règles du comput pour le calcul des fêtes mobiles, et pour le calcul du temps, qui nécessitaient des éléments d'astronomie.

D'autres éléments furent introduits en occident par l'intermédiaire de Gerbert d'Aurillac (Sylvestre II) un peu avant l'an mille, avec la philosophie d'Aristote. Il est difficile de savoir exactement quels astronomes musulmans étaient connus de Gerbert d'Aurillac. Gerbert est important pour la compréhension du développement historique de l'ensemble du savoir occidental, qui incluait la philosophie.

Bas Moyen Âge

L'œuvre d'Al-Farghani est traduite en latin au XIIe siècle, en même temps que bien d'autres traités arabes et que la philosophie d'Aristote.

Dans le monde musulman, on peut citer :

• en Perse, Omar Khayyam (1048–1131), qui compile une série de tables et réforme le calendrier ;
• Ibn al-Haytham (965–1039), mathématicien et physicien arabo-islamique ;
• Al-Biruni, (973–1048), mathématicien, astronome, encyclopédiste, etc. ;
• Al-Tusi (1201–1274), philosophe, mathématicien, astronome et théologien (considéré comme l'un des fondateurs de la trigonométrie) ;
• Al-Kashi (1380–1429), en Iran et Ouzbékistan actuels.

On peut encore citer Al-Maghribi, Al-Sufi.

Renaissance

Pendant la Renaissance, Copernic propose un modèle héliocentrique du système solaire. Cette idée est défendue, étendue et corrigée par Galilée et Kepler. Galilée imagine la lunette astronomique pour améliorer ses observations. S'appuyant sur des relevés d'observation très précis faits par le grand astronome Tycho Brahé, Kepler est le premier à imaginer un système de lois régissant les détails du mouvement des planètes autour du Soleil, mais n'est pas capable de formuler une théorie allant au-delà de la simple description présentée dans ses lois.

C'est Isaac Newton qui, en décrivant la gravitation par ses lois du mouvement, la rend universelle et permet finalement de donner une explication rationnelle au mouvement des planètes. Il invente aussi le télescope réflecteur, qui améliore les observations.

Époque contemporaine

On découvre que les étoiles sont des objets très lointains : l'étoile la plus proche du système solaire, Proxima du Centaure, est à plus de quatre années-lumière.

Avec l'introduction de la spectroscopie, on montre qu'elles sont similaires à notre soleil, mais dans une grande gamme de température, de masse et de taille. L'existence de notre Galaxie, en tant qu'ensemble distinct d'étoiles, n'est prouvée qu'au début du XXe siècle du fait de l'existence d'autres galaxies.

Peu après, on découvre l'expansion de l'univers, conséquence de la loi de Hubble, établissant une relation entre la vitesse d'éloignement des autres galaxies par rapport au système solaire et leur distance.

La cosmologie fait de grands progrès durant le XXe siècle, notamment avec la théorie du Big-bang, largement supportée par l'astronomie et la physique, comme le rayonnement thermique cosmologique (ou rayonnement fossile), et les différentes théories de nucléosynthèse expliquant l'abondance des éléments chimiques et de leurs isotopes.

Dans les dernières décennies du XXe siècle, l'apparition des radiotélescopes, de la radioastronomie, et des moyens de traitement informatique, autorise de nouveaux types d'expérimentations sur les corps célestes éloignés, par analyse spectroscopique des raies d'émission émises par les atomes et leurs différents isotopes lors des sauts quantiques, et transmis à travers l'espace par les ondes électromagnétiques.

Disciplines de l'astronomie

À son début, durant l'antiquité, l'astronomie consiste principalement en l'astrométrie, c'est-à-dire la mesure de la position dans le ciel des étoiles et des planètes. Plus tard, des travaux de Kepler et de Newton naît la mécanique céleste qui permet la prévision mathématique des mouvements des corps célestes sous l'action de la gravitation, en particulier les objets du système solaire. La plus grande partie du travail dans ces deux disciplines (l'astrométrie et la mécanique céleste), auparavant effectué à la main, est maintenant fortement automatisée grâce aux ordinateurs et aux capteurs CCD, au point que maintenant elles sont rarement considérées comme des disciplines distinctes. Dorénavant, le mouvement et la position des objets peuvent être rapidement connus, si bien que l'astronomie moderne est beaucoup plus concernée par l'observation et la compréhension de la nature physique des objets célestes.

Depuis le XXe siècle, l'astronomie professionnelle a tendance à se séparer en deux disciplines : astronomie d'observation et astrophysique théorique. Bien que la plupart des astronomes utilisent les deux dans leurs recherches, du fait des différents talents nécessaires, les astronomes professionnels tendent à se spécialiser dans l'un ou l'autre de ces domaines. L'astronomie d'observation est concernée principalement par l'acquisition de données, ce qui inclut la construction et la maintenance des instruments et le traitement des résultats. L'astrophysique théorique est principalement concernée par la recherche des implications observationnelles de différents modèles, c'est-à-dire qu'elle cherche à comprendre et à prédire les phénomènes observés.

L'astrophysique est la branche de l'astronomie qui détermine les phénomènes physiques déduits par l'observation des astres. Actuellement, les astronomes ont tous une formation poussée en astrophysique et leurs observations sont presque toujours étudiées dans un contexte astrophysique. En revanche il existe un certain nombre de chercheurs et chercheuses qui étudient exclusivement l'astrophysique. Le travail des astrophysiciens est d'analyser des données d'observations astronomiques et d'en déduire des phénomènes physiques.

Les domaines d'études de l'astronomie sont aussi classés en deux autres catégories :

• Par sujet, généralement selon la région de l'espace (par exemple, l'astronomie galactique) ou le type de problème adressé (formation des étoiles, cosmologie)
• Par le mode d'observation, selon le type de particules détectées (lumière, neutrino) ou la longueur d'onde (radio, lumière visible, infrarouge).

Disciplines par sujet

Astronomie solaire

L'étoile la plus étudiée est le soleil, une petite étoile typique de la séquence principale de type spectral G2 V et vieille d'environ 4,6 milliards d'années. Le soleil n'est pas considéré comme une étoile variable, mais il subi des changements périodiques de son activité, ce qui peut être vu grâce aux taches solaires. Ce cycle de fluctuation du nombre de taches dure 11 ans. Les taches solaires sont des régions plus froides que la normale qui sont associées à une activité magnétique intense[1].

La luminosité du soleil a régulièrement augmenté au cours de sa vie. Aujourd'hui, il est en effet 40% plus brillant qu'au moment ou il est devenu une étoile de la séquence principale. Le soleil a également subi des changements périodiques de luminosité ayant eu un impact significatif sur la Terre. Par exemple, on soupçonne le minimum de Maunder d'être la cause du petit âge glaciaire survenu durant le Moyen Age.

Au centre du soleil se trouve le cœur . Un zone ou la température et la pression sont suffisant pour permettre la fusion nucléaire. Au dessus du noyau se trouve la zone de radiations, ou le plasma transporte les flux d'énergie au moyen de radiations. La couche recouvrant la zone de radiations forme la zone de convection où l'énergie est conduite vers la photosphère grâce à la convection, autrement dit, les déplacements physiques du gaz. On croit que cette zone de convection est à l'origine de l'activité magnétique qui génère les taches.

La surface extérieure du soleil est appelée la photosphère. Juste au dessus de cette couche se trouve une mince région appelée la chromosphère. Ensuite, nous avons la couronne solaire.

Le vent solaire, un flux de plasma constitué essentiellement de particules chargée, « souffle » constamment à partir du soleil jusqu'à l'héliopause. Le vent solaire interagit avec la magnétosphère terrestre de la Terre pour créer les ceintures de Van Allen. Les aurores polaires sont également une conséquence de ce vent solaire.

Planétologie

Ce domaine de l'astronomie s'intéresse à l'ensemble des planètes, des lunes, des planètes naines, des comètes, des astéroïdes, et des autres corps orbitant autour du soleil ; ainsi qu'aux exoplanètes. Le système solaire a été relativement bien étudié, d'abord à l'aide de télescopes puis aux moyens de sondes. Cela a fourni une bonne compréhension globale de la formation et de l'évolution de ce système planétaire, bien qu'un grand nombre de découvertes soient encore à accomplir.

Le système solaire est subdivisé en trois parties : les planètes internes, la ceinture d'astéroïdes et les planètes externes. Les planètes internes sont toutes telluriques, il s'agit de Mercure, Vénus, la Terre , et Mars. Les planètes externes, des géantes gazeuses, sont Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Derrière Neptune se trouve la ceinture de Kuiper, et finalement, le nuage de Oort, qui s'étend probablement sur une année-lumière.

Les planètes ont été formées par un disque protoplanétaire qui entourait le soleil lorsqu'il venait de se former. Grâce à un processus combinant attraction gravitationnelle, collision, et accrétion, le disque forma des amalgames de matières qui allaient devenir, avec le temps, des protoplanètes. A ce moment là, la pression de radiation du vent solaire a expulsé la majorité de la matière qui ne s'était pas assemblée, et seules les planètes munies d'une masse suffisante purent retenir leur atmosphère gazeuse. Les planètes ont continué d'éjecter la matière restante durant une période d'intense bombardement météoritique, comme en témoigne les nombreux cratères trouvés, entre autres, sur la Lune. Durant cette période, quelques protoplanètes ont pu entrer en collision, et selon l'hypothèse majeure, c'est ainsi que la Lune fut formée.

Une fois qu'une planète atteint une masse suffisante, les matériaux de différentes densités commencent à se séparer entre eux, c'est la différenciation planétaire. Ce processus peut former un noyau rocheux ou métallique, entouré par un manteau et une croûte. Le cœur peut inclure des régions solides et liquides, et dans certains cas, il peut générer son propre champ magnétique, qui protège la planète et son atmosphère des attaques du vent solaire.

Astronomie stellaire

L'étude des étoiles et de l'évolution stellaire est fondamentale pour notre compréhension de l'univers. L'astrophysique des étoiles a été déterminée grâce à l'observation et à la compréhension théorique ainsi que par des simulations informatiques.

Une étoile se forme dans des régions denses de poussières et de de gaz, connues sous le nom de nuages moléculaires géants. Lorsqu'ils sont déstabilisés, les fragments peuvent s'effondrer sous l'influence de la gravité pour former une protoétoile. Une région suffisamment dense et chaude provoquera une fusion nucléaire, créant ainsi une étoile de la séquence principale

Presque tous les éléments plus lourds que l'hydrogène et l'hélium ont été créés dans le noyau des étoiles.

Les caractéristiques de l'étoile résultant dépendent d'abord de sa masse de départ. Plus l'étoile est massive, plus sa luminosité est importante et plus elle videra le stock d'hydrogène présent dans son noyau rapidement. Au fil du temps, cette réserve est entièrement convertie en hélium, et l'étoile commence alors à évoluer. La fusion de l'hélium requiert une plus grande température dans le noyau, de cette façon, l'étoile s'agrandit et son noyau se densifie en même temps. Devenue une géante rouge, notre étoile consume alors son hélium. Cette phase est relativement courte. Les étoiles très massive peuvent aussi subir une série de phases rétrécissantes, où la fusion se poursuit en élément de plus en plus lourds.

Le destin final de l'étoile dépend de sa masse: les étoiles qui sont plus de 8 fois plus massives que le soleil peuvent s'effondrer en supernovae ; alors que les étoiles plus légères forment des nébuleuses planétaires et évoluent en naines blanches. Ce qui reste d'une très grosse étoile est une étoile à neutrons, ou dans certains cas un trou noir. Les étoiles binaires proches peuvent suivre des chemins plus complexes dans leur évolution, comme un transfert de masses sur le compagnon d'une naines blanche pouvant causer une supernova. Les nébuleuses planétaires et les supernovae sont nécessaires à la distribution de métaux dans le milieu interstellaire ; sans cela, toutes les nouvelles étoiles (leur système planétaire y compris) seraient uniquement formées à partir d'hydrogène et d'hélium.

Astronomie galactique

Notre système solaire orbite au sein de la Voie lactée, une galaxie spirale barrée qui est un membre important du Groupe local. C'est une masse tournante formée de gaz, d'étoiles et d'autres objets maintenus ensemble par une attraction gravitationnelle mutuelle. Étant donné que la Terre est située dans un bras extérieur poussiéreux, il y a une grande partie de la Voie lactée que l'on ne peut pas voir.

Au centre de la Voie lactée se trouve le noyau, un bulbe de forme étirée qui semble abriter un trou noir supermassif en son centre. Celui-ci est entouré de quatre bras spiraux majeur démarrant du noyau. C'est une région active de la galaxie qui contient beaucoup d'étoiles jeunes appartenant à la population II. Le disque est entouré par un halo sphéroïdal d'étoiles plus vieilles de population I, ainsi que par une concentration relativement dense d'amas globulaires.

Entre les étoiles se trouve le milieu interstellaire, une région de matière éparpillée. Dans les régions les plus denses, des nuages moléculaires formé principalement d'hydrogène moléculaire contribuent à la formation de nouvelles étoiles. Cela commence avec des nébuleuses sombres qui se densifient puis s'effondrent (en un volume déterminé par la longueur de Jeans) pour former des protoétoiles compactes.

Quand des étoiles plus massives apparaissent, elles transforment le nuage en une région HII de gaz et de plasma luminescent. Le vent stellaire et les explosions de supernovae servent finalement à disperser le nuage, laissant souvent derrière lui un ou plusieurs amas ouverts. Ces amas se dispersent graduellement et les étoiles rejoignent la population de la Voie lactée.

Les études cinématiques de la matière présente dans la Voie lactée ont démontré qu'il y a plus de masse qu'il n'y parait. Un halo de matière noire semble dominer la masse, bien que la nature de cette matière noire reste indéterminée

Astronomie extra-galactique

L'étude des objets situés en dehors de notre galaxie est une branche de l'astronomie concernée par la formation et l'évolution des galaxies ; leur morphologie et classification ; l'examen des galaxies actives ; ainsi que par les groupes et amas de galaxies. Ces derniers sont importants pour la compréhension des structures à grande échelle de l'univers.

La plupart des galaxies sont organisées en formes distinctes, ce qui permet d'établir un schéma de classification. Elles sont communément divisées en galaxies spirales, elliptiques et irrégulières

Comme son nom l'indique, une galaxie elliptique à la forme d'une ellipse. Ses étoiles se déplacent sur une orbite choisie au hasard sans aucune direction préférée. Ces galaxies ne contiennent que peu ou pas de gaz interstellaire, peu de régions de formation d'étoiles, et généralement des étoiles âgées. On trouve généralement des étoiles dans les noyaux d'amas galactiques et peuvent se former à partir de la fusion de plus grandes galaxies.

Une galaxie spirale est organisée comme un disque plat en rotation, avec généralement un bulbe proéminent ou une barre en son centre, ainsi que des bras spiraux qui s'étendent vers l'extérieur. Ces bras sont des régions poussiéreuses de formations d'étoiles où les jeunes étoiles massives produisent une teinte bleue. Les galaxies spirales sont typiquement entourée d'un halo d'étoiles plus vieilles. La Voie lactée et la galaxie d'Andromède sont des galaxies spirales.

Les galaxies irrégulières sont chaotiques en apparence et ne sont ni spirales, ni elliptiques. Environ un quart des galaxies sont irrégulières. La forme si particulière peut être le résultat d'une interaction gravitationnelle.

Une galaxie active est une structure dont une partie significative de l'énergie qu'elle émet ne provient pas de ses étoiles, de son gaz ou de sa poussière. Ce type de galaxie est alimenté par une région compacte en son noyau, généralement grâce à un trou noir supermassif, pense-t-on, qui émettrait des radiations grâce aux matériaux qu'il avale.

Une radiogalaxie est une galaxie active qui est vraiment très lumineuse dans le domaine radio du spectre électromagnétique et qui produit de gigantesques lobes de gaz. Les galaxies actives émettant des radiations très énergétiques incluent les galaxies de Seyfert, les quasars et les blazars. Les quasars semblent être les objets les plus lumineux de l'univers connu

Les grandes structures du cosmos sont représentées par des groupes et des amas de galaxies. Cette structure est organisée de manière hiérarchique, dont les plus grandes connues à ce jour sont les superamas. Le tout est agencé en filaments et en murs, laissant d'immenses régions vides entre eux

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