Utiliser la notation scientifique pour décrire l'univers

Que ce soit dans le domaine microscopique ou le domaine astronomique les différentes dimensions ne peuvent être exprimées en utilisant simplement le mètre.

En effet, les différences considérables de taille ou de distance, ne permettent pas une comparaison aisée.

De plus l’écriture de grands nombres ou de nombres infiniment petits s’avère rapidement très lourde. On utilise donc utilisant des puissances de dix.

Afin de comparer facilement ces dimensions, on utilise une notation commune : la notation scientifique.

En notation scientifique un nombre s’écrit toujours sous la forme:

a\times 10^{b}

Où :

  • a est un nombre décimal supérieur ou égal à un et strictement inférieur à 10
  • b est un nombre entier relatif qui peut être soit positif soit négatif

Le tableau ci-après liste quelques unes des puissances régulièrement utilisées dans le domaine des sciences avec le préfixe grec qui lui est attribué.

10 (puissance 24)Yotta
10 (puissance 15)Peta
10 (puissance 12)Tera
10 (puissance 9)Giga
10 (puissance 6)Mega
10 (puissance -9)Nano
10 (puissance -12)Pico
10 (puissance -15)Femto
10 (puissance -24)Yocto

La structure de l'univers de l'échelle microscopique à l'échelle humaine

Le mot atome vient du grec atomos qui veut dire indivisible, insécable. Les atomes sont donc les plus petites particules d’un élément chimique. Les atomes peuvent s’associer pour former toute la matière.

La matière qui constitue les différents corps de l’univers (planètes, étoiles, nébuleuses, astéroïdes, etc…) est donc composée d’atomes.

Le saviez vous ? La notion de particule indivisible date de l’Antiquité (environ vers -400 avant JC). Si à cette époque il n’existait pas encore d’appareils permettant de comprendre la structure fine de la matière, les philosophes grecs comme Démocrite ou Leucippe pensaient déjà au concept de la matière ne pouvant se diviser indéfiniment.

De quoi est composé un atome ?

Qu'est ce qu'un atome ? L'atome

Les atomes sont composés de nucléons. Les différents nucléons retrouvés dans les atomes sont: les protons et les neutrons.  Autour de ces nucléons gravitent les électrons.

Les atomes comportent donc un noyau central entouré d’électrons mais le vide règne entre les deux. En effet, la taille d’un noyau est de l’ordre de 10-15 m et les électrons se situent à une distance de l’ordre de 10-10 m ce qui signifie qu’un électron se trouve à une distance du noyau 100 000 fois plus grande que ce dernier.

Un atome, et donc la matière dans son ensemble, possède un caractère lacunaire: elle est essentiellement composée d’espace vide.

Le diamètre moyen d’un atome est d’environ 10-10m quand au diamètre d’un nucléon il est d’environ 10-15m. Cela signifie que l’on pourrait placer plus d’un million d’atomes dans l’épaisseur d’un cheveu ! Ainsi, l’atome est 10 000 000 000 fois plus petit que l’homme.

Les atomes sont donc les constituants élémentaires de toute matière, qu’elle soit grande ou petite. On estime qu’il existe près de 1080 nucléons dans tout l’Univers !

(A titre d’exemple la Terre serait composée de 1050 nucléons, le corps d’un homme en renfermerait 7.1027 nucléons et un gramme d’eau 1024 nucléons).

La formation de la matière par association des atomes

Les atomes  peuvent s’associer pour former des molécules dont la taille varie selon le nombre d’atomes mais qui pour la plupart sont comprises autour de 10-10 m et 10-8 m

Les molécules peuvent constituer les unités de base des êtres vivants: les cellules. La taille des cellules est comprise entre 10 -5 et 10 -4 m. Les êtres vivants peuvent être unicellulaires (comme les bactéries) ou multicellulaires comme les insectes, les mammifères, etc… et avoir donc une taille comprise entre 10-5m et quelques mètres.

Pour aller plus loin…

C’est le physicien britannique John Dalton qui fut à la base de la théorie atomique : toute la matière connue est composée d'atomes qui se combinent pour former d’autres composés.

Les atomes d’un corps simples sont semblables entre eux.

Ce modèle fut ensuite complété par les travaux d’autres scientifiques comme ceux du physicien danois Niels Bohr ou du physicien néo-zélando-britannique Ernest Bohr qui expliqueront que l’atome peut être assimilé à un modèle miniature planétaire.

La structure de l'univers à l'échelle astronomique

Le système solaire

La Terre fait partie d’un système planétaire dont une étoile occupe le centre : il s’agit du Soleil. Ce dernier a un rayon d’environ 7 x 105 km tandis que celui de la terre est d’environ 6,4 x 103 km. 

Par ailleurs la Terre se trouve en moyenne à 1,5 x 108 km du Soleil. A l’exception de Mercure, Venus et quelques astéroïdes l’espace qui les sépare est vide. On retrouve à l’échelle du système solaire une structure lacunaire.

Outre la Terre on trouve autour du Soleil sept autres planètes : Mercure, Vénus, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune et leurs satellites, des astéroïdes, des comètes et des planètes naines (Comme pluton, Eris ou Sedna... et oui la planète Pluton a été déclassée depuis 2006 en planète naine.

En effet, Pluton a une taille comparable a de nombreux autres corps célestes et la considérer comme une planète imposerait de classer ces autres astres comme tel).

De quoi est composé le système solaire ? Le Soleil et nos planètes voisines !

Les étoiles et systèmes stellaires

Le Soleil n’est qu’une étoile de taille moyenne parmi d’autres. Sa plus proche voisine est Proxima du centaure située à environ 4,2 années lumière soit 4 x 1013 km.

Certaines étoiles sont, comme le Soleil, accompagnées de planètes qui sont dites "planète extrasolaires". Ces dernières n’ont été découvertes qu’au milieu des années quatre-vingt dix grâce au progrès techniques.

Actuellement plusieurs centaines de planètes extrasolaires ont été détectées.

La Galaxie

Notre système solaire fait partie d’une galaxie appelée voie lactée qui correspond à un ensemble plus vaste regroupant plusieurs centaines de milliards d’étoiles et qui s’étend sur environ 100 000 années de lumières (environ 1018 km ).

Notre système solaire tourne autour du centre de la galaxie en 226 millions d’années.

La voie Lactée, notre galaxie : le terme voie lactée a été évoqué pendant l'Antiquité. Le nom de notre galaxie évoque cette bande laiteuse que l'on peut observer à l’œil nu (malheureusement,  dans certaines grandes villes la voie lactée est invisible à l’œil nu à cause des lumières intenses ou à cause de la pollution).

Cette couleur blanchâtre provient de la multitude d'étoiles que compte notre galaxie. Mais d'ou vient le nom de notre galaxie?

Directement de la mythologie grecque !

En effet, Héraclès, plus connu sous le nom d'Hercule était un héros de la mythologie grecque. il était le fruit des amours adultères du dieu de la foudre Zeus et d'une humain, Alcmène. Héraclès était doté d'une force prodigieuse. Demi dieu, il doit cependant enfant téter au sein d'Héra, la femme de Zeus pour obtenir l'immortalité.

Mais l'enfant ne maîtrise pas encore sa force et quand il vient à téter Héra, il fait jaillir du lait hors du sein de la déesse,  donne alors naissance à la Voie Lactée.

Qu'est ce que la voie lactée ? Notre galaxie, la Voie Lactée.

Rappel : l’année lumière. L’année lumière correspond à la distance parcourue par la lumière en une année. Ainsi, sachant que la vitesse de la lumière dans le vide est une constante fondamentale fixée à 299 792 458 m/s, on peut calculer la distance que parcourt la lumière dans le vide en une année, à savoir 9,461 milliards de kilomètres !

Ainsi notre galaxie qui possède un diamètre de 1018 km possède aussi un diamètre compris entre 100 000 et 120 000 années lumières.

Au-delà de la galaxie

Les galaxies se regroupent également pour former des amas de Galaxie qui forment eux-mêmes des super amas. L’univers observable connu s’étend sur environ 45 milliards d'années de lumière soit environ 4,3 x 1023 km

Le saviez-vous ? En 2016 le télescope Hubble a permis de détecter ce qui est considéré comme la plus lointaine des galaxies. En effet, la lumière de la galaxie la plus lointain que l’on connaisse à mis environ 13,4 milliards d’années pour arriver jusqu'à nous !

Quand on sait que plus on voit loin et plus on voit dans le passé, cette galaxie est un témoin de ce qu’était l’Univers 400 millions d’années après le big-bang. (Le big-bang est considéré encore aujourd’hui comme l’explosion originelle).

Aspect lacunaire de l'univers

Les étoiles s’organisent en galaxies. On compte plusieurs centaines de milliards d’étoiles dans une galaxie.

On estime qu’il existe plusieurs centaines de milliards de galaxies à travers l’univers. Les galaxies sont donc regroupées en amas et l’univers compterait plusieurs dizaines d’amas de galaxie, elle-même regroupées en millions de super-amas.

Dans ce réseau existerait d’immenses zones de vide (qui constitueraient près de 90% de l’Univers !)

Que ce soit à l’échelle des atomes, des planètes, des étoiles ou des galaxies on retrouve une structure lacunaire où les différents éléments sont séparés par de grandes étendues de vide.

Pour aller plus loin... Des chercheurs de l'Institut d'astrophysique de Paris ont fait une découverte surprenante : les amas de galaxies seraient en réalités dix fois plus grandes que ce que l'on pensait ! Ces nouvelles données, publiées en juin de cette année dans le journal Monthly Notices of the Royal Astronomical Society pourraient bouleverser la façon dont les scientifiques modélisent les galaxies et les amas de galaxies.

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Yann

Fondateur de Superprof et ingénieur, nous essayons de rendre disponible la plus grande base de savoir.
Passionné par la physique-chimie et passé par la filière scientifique au lycée, je partage mes cours (après les avoir mis à jour selon le programme de l’Éducation Nationale).

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