La composition de l'Univers : cours de 3e

Quand tu regardes le ciel la nuit, tu vois des points lumineux. Chacun est un minuscule morceau d'un ensemble gigantesque : l'Univers. Ce cours répond à une question simple en apparence : de quoi l'Univers est-il fait, et comment est-il organisé ? Tu verras que la réponse mêle des objets bien connus (planètes, étoiles, galaxies), des nombres vertigineux et des mystères que les scientifiques n'ont pas encore résolus.

Dans ce chapitre, l'organisation de la matière à grande échelle, de la Terre aux planètes puis à l'Univers, s'appuie sur ce que tu as étudié les années précédentes : le système solaire a été l'objet d'étude de la classe de 5e, l'Univers celui de la classe de 4e ¹. En 3e, on rassemble ces idées et on s'intéresse à ce dont l'Univers est composé et à son évolution ¹.

À grande échelle, l'Univers est composé de très nombreux corps célestes. Parmi eux, on trouve des planètes comme la Terre, des comètes, des astéroïdes, des satellites naturels comme la Lune, ou encore des exoplanètes ³. Une exoplanète est une planète qui n'appartient pas à notre système solaire : elle tourne autour d'une autre étoile.

Ces corps ne sont pas dispersés au hasard. Ils se regroupent en structures de plus en plus vastes. Les étoiles sont réparties dans des galaxies, et les galaxies sont elles-mêmes organisées en amas et en superamas de galaxies ³.

Pour retenir l'ordre, imagine des poupées russes : chaque niveau contient le précédent. Un superamas contient des amas, un amas contient des galaxies, une galaxie contient des étoiles. Les planètes, elles, se rattachent aux étoiles autour desquelles elles tournent, comme les planètes du système solaire autour du Soleil.

Pour classer, tu peux aussi te demander « qu'est-ce qui contient quoi ? ». Une galaxie ne se trouve jamais à l'intérieur d'une étoile, alors que presque toutes les étoiles se trouvent à l'intérieur d'une galaxie.

On estime que le diamètre de l'Univers observable est de 100 milliards d'années-lumière ³. Cet Univers observable contient environ $7 \times 10^{22}$ étoiles, réparties dans environ 100 milliards de galaxies ³. Le nombre d'atomes qu'il contient est estimé à environ $10^{80}$ ³.

Ces valeurs sont des estimations : personne n'a compté les étoiles une à une. Le nombre de galaxies pourrait même être encore plus grand, d'après les images du champ profond observé par le télescope spatial Hubble ³. Retiens donc que l'on donne un ordre de grandeur, pas un résultat exact.

Dans l'Univers, les distances sont si grandes que le kilomètre devient peu pratique. On utilise alors l'année-lumière, une unité de distance ². Elle vaut de l'ordre de 9 500 milliards de kilomètres, soit environ $9{,}5 \times 10^{12}$ km ². Elle sert notamment à exprimer les distances dans notre galaxie, la Voie lactée ².

Les scientifiques ne savent pas décrire précisément de quoi l'Univers est fait. À côté du vide, de nombreux constituants sont seulement supposés, et la plupart n'ont encore jamais été observés ³. C'est une des grandes particularités de ce chapitre : un cours de sciences peut dire « on ne sait pas encore ».

Les galaxies s'éloignent les unes des autres : c'est l'expansion de l'Univers. Ce qui a surpris les chercheurs, c'est que cet éloignement ne se fait pas à vitesse constante. Les mesures montrent que les galaxies s'écartent de la Voie lactée de plus en plus rapidement au fil du temps : c'est l'accélération de l'expansion ⁴.

Pour y parvenir, les chercheurs ont mesuré la distance d'astres particuliers, les supernovas de type Ia, dont la luminosité propre est supposée connue ⁴. En comparant cette distance au décalage vers le rouge de ces astres, on reconstitue l'histoire de l'expansion sur plusieurs milliards d'années et l'on voit si elle accélère ou ralentit ⁴. Le détail de la méthode dépasse le programme de 3e : retiens surtout que la conclusion repose sur des mesures et non sur une simple idée.

L'interprétation la plus simple de cette accélération est l'existence d'une forme d'énergie aux propriétés atypiques, l'énergie noire ⁴. Cette accélération fait l'objet d'un consensus parmi les cosmologistes ⁴.

Si l'expansion accélère, que devient l'Univers ? Les scientifiques décrivent plusieurs scénarios, tous encore à l'état de modèles.

Le plus probable, d'après l'accélération observée, est un Univers qui grandirait sans fin en devenant toujours plus froid et plus vide : le Big Freeze (Grand Refroidissement), par opposition au Big Crunch ⁴. Dans ce scénario, l'expansion continue de façon stable, toute activité cesse, et les galaxies fusionnent puis meurent peu à peu ³.

Un autre scénario, appelé Big Rip, découlerait d'un candidat particulier à l'énergie noire, l'énergie fantôme : l'accélération s'accompagnerait d'une augmentation de la densité d'énergie noire, signant la fin de l'Univers en un temps fini ⁴. Dans ce cas, toute la matière, y compris les atomes, se déchirerait par dilatation de l'espace ³.