Petite histoire de l'année de lumière

Avant la Renaissance, la lumière était étudiée mais personne n’avait tenté d’en mesurer sa vitesse.

Galilée fut l’un des premiers scientifiques qui chercha dans un premier temps à mesurer la vitesse de la lumière en plaçant deux personnes éloignées l’une de l’autres avec des lampes. De ses expériences, il en déduit que la lumière avait une vitesse finie et cette vitesse devait être très grande.

Plus tard, Fermat eut l’idée d’utiliser un miroir pour essayer de calculer la vitesse de la lumière. Descartes étudia lui aussi la vitesse de la lumière, croyant que celle-ci était instantanée.

Finalement c’est Cassini et Roemer qui furent les premiers à mesurer pour la première fois la vitesse de la lumière. Roemer, en étudiant les satellites de Jupiter, observa une irrégularité dans le mouvement de Io, le satellite le plus proche de la planète. Cassini repris ce travail et annonça alors  « de ce que la lumière arrive des satellites avec un retard tel qu’il faut 10 ou 11 minutes pour qu’elle franchisse une distance égale au rayon de l’orbite de la Terre.

C’est finalement Huygens qui en 1690 donne une première estimation de la vitesse de la lumière à environ 204 000 km/s.

En 1849, Hippolyte Fizeau utilisa un système de roue dentée et de miroirs pour calculer la vitesse de la lumière qu’il estime a 315 000 km/s

Léon Foucault perfectionna ensuite le système de miroir, ce qui lui permet d’obtenir en 1862 une valeur de 298 000 km/s.

Les dernières méthodes de mesures eurent lieues en 1926 par Michelson grâce à des miroirs et une distance de 35 km, l’approximation fut de 299 796 km/s.

Après les années 30, l’ère moderne lança la course à la précision : les différents scientifiques employèrent des méthodes toujours plus précises pour calculer la vitesse de la lumière : spectromètre de bande,  telluromètre…

En 1978,  Woods, Shotton et Rowley mesurèrent la vitesse de la lumière à 299 792.45898 km/s ±0.0002 km/s.

En 1983, la 17ème conférence des poids et mesures décida :

« Le mètre est la longueur du trajet parcouru dans le vide par la lumière pendant une durée de 1/299792458 s. »

Le saviez vous ? Le temps que met la lumière a arriver sur Terre a été calculée très tôt : Cassini trouva en 1693 un temps de 7 minutes et 5s, un an plus tard Halley donne 8 minutes 5 alors que Newton la calcule à 7 min30. C’est Dellambre qui donna la valeur la plus correcte avec 8 min 13s.

La valeur exacte connue à ce jour est  située entre 8 min et 19.01s et 8 mun 19.94.

Pour aller plus loin : et les trous noirs alors qu'est ce que c'est ? Les trous noirs représentent des concentrations de masse-énergie s'étant effondré gravitationnellement sous sa propre force d'attraction. Les trous noirs sont si compacts que même la lumière ne peut se soustraire à cette force! (cette caractéristiques est encore difficilement expliquée par la communauté scientifique). La détection des trous noirs repose donc sur un faisceau d'indices astronomiques. On ne peut pas prouver par observation directe leur présence (et on ne peut pas observer ce qui se passe à l'intérieur d'un trou noir) mais on peut déduire qu'ils existent bel et bien.

 

Pourquoi la lumière est-elle piégée dans les trous noirs ?
Le trou noir est un objet céleste auquel rien n'échappe ni la matière ni la lumière.

Définition d'une année de lumière

L’année de lumière (appelée aussi année lumière) est une unité de distance et non de temps comme son nom pourrait le laisser penser. Elle est définie comme la distance parcourue par la lumière dans le vide pendant une année terrestre.

L'année de lumière est donc une unité de distance surtout utilisée en astronomie (science ou on étudie de grandes distances.)

Le symbole de l'année de lumière est a.l.

Le saviez-vous ? Au singulier on dit une année de lumière ou une année lumière et au pluriel on écrit années-lumière.

On peut rencontrer aussi dans la littérature le terme l.y pour light years.

Anecdote : un des héros de toy story s'appelle buzz l'éclair mais son vraiment nom est Buzz light year soit Buzz année lumière pour démontrer que son héros est vraiment rapide !

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Quelle est la valeur d'une année lumière ?

La valeur précise d'une année lumière est de 9,460730473.1015 m soit, converti en kilomètres : 9,460730473.1012 km.

Pour travailler on utilise souvent le chiffre arrondi soit 9,46.1015 m ou encore 9,46.1012 km.

On peut retenir l'ordre de grandeur de l'année de lumière soit 1016 m ou 1013 km.

Quand utilise-t-on l'année de lumière ?

C’est une unité qui a été définie pour pouvoir exprimer plus facilement les distances astronomiques gigantesques.

On ne l’utilise pas pour les dimensions terrestres ni même pour les distances entre les astres du système solaire mais son utilisation est fréquente pour tout ce qui se trouve au-delà comme les étoiles ou les galaxies.

Et les autres unités de distances alors ?

Si l’année de lumière est souvent utilisée en astronomie ou pour étudier de très grandes distances, il existe d’autres unités de distance astronomiques :

  • L’unité astronomique (UA) : cette unité est définit par la distance moyenne de la Terre au Soleil soit 149, 5 millions de km. Cette unité sert encore d’étalon de mesure.
  • Le parsec (pc) : c’est la distance à laquelle on observerait une longueur d’une unité astronomique (soit la distance Terre-Soleil) sous un angle de une seconde. Le parsec vaut ainsi 3,26 années de lumière.
  • Le rayon solaire (ro) : cette unité sert surtout à comparer la taille des étoiles entre elles. Le rayon solaire correspond à 6,95.108 m, ce qui correspond au rayon du Soleil.

Le saviez-vous ?

Qui n’a pas entendu dans l’Univers (et surtout l’Univers de Star Wars) que le pilote émérite Han Solo avait fait le raid de Kessel par 12 parsecs ?

Et bien il s’agit la tout simplement d’une erreur scénaristique puisque comme nous l’avons vu plus haut, le parsec est une unité de distance et non de vitesse. Ainsi le célèbre pilote a parcouru :

12 x 3,26 = 39,12 années lumières ce qui fait beaucoup mais qui ne reflète pas une vitesse.

 

Le parsec est-il une unité de mesure astronomique réelle ?
Le faucon millenium, sans doute l'un des vaisseaux les plus rapides de l'univers Star Wars.

 

Comment calculer la valeur d'une année de lumière ?

L’année de lumière étant une distance, il est possible de retrouver sa valeur en utilisant la relation entre la vitesse de la lumière (c), la distance parcourue (d) et la durée de propagation (Δt) :

d = c x Δt où « Δt » doit être en seconde si « c » est en mètre par seconde.

Si l’on souhaite obtenir une valeur précise on utilise des valeurs précises pour c (c = 299 792 458 m/s) et pour Δt ( calculé en prenant 1 an = 365,25 jours), le calcul est alors :

1 al = 299 792 458 x 365,25 x 24 x 60 x 60
1 al = 9,460730473 x 10 15 m

Si l’on ne souhaite obtenir une valeur approchée de l’année lumière avec trois chiffres significatifs (c’est le cas le plus fréquent) alors on peut se contenter d’utiliser des données exprimées avec trois chiffre significatifs ( c = 3,00 x 10 8 m/s et 1 an = 365 jour ), le calcul devient:

1 al = 3,00 x 10 8 x 365 x 24 x 60 x 60 
1 al = 9,46 x 10
 15 m

Bon à savoir  : on dit « Année de lumière » ou « Année-lumière ? »

Le programme actuel de physique chimie demande d’utiliser « année de lumière », il s’agit d’une expression ancienne qui a été largement remplacée par l’expression « année lumière », elle est employée dans la majorité des textes scientifiques (y compris par le CNRS et le CNES !).

Comment convertir des années lumières ?

Pour convertir en mètre une valeur exprimée en année de lumière il suffit de la multiplier par la valeur (en mètre) d’une année de lumière :

  • Distance en mètre = Distance en année de Lumière X 9,46 x 10 15
    Pour réaliser l’opération inverse (convertir des mètres en année de lumière) on divise le valeur en mètre par la valeur (en mètre) d’une année de lumière:
  • Distance en année de lumière = Distance en mètre : ( 9,46 x 10 15 )

Le tableau ci-après donne l'exemple de quelques distances :

Proxima du centaure (étoile la plus proche du Soleil)4,24 al
Sirius (constellation du grand chien)8,61 al
Aldébaran (constellation du taureau)65,2 al
Bételgeuse (constellation d’orion)642, al
Galaxie d’Andromède2,5 x 106 al

 

Comment peut-on mesurer les distances entre les étoiles ?
Les étoiles semblent proches mais sont distantes de millions de kilomètres.

 

Seconde, minute, heure et jour de lumière

Par analogie avec l’année de lumière il également possible de définir la seconde de lumière, la minute de lumière, l’heure de lumière etc...

  • Une seconde de lumière = 3,00 x 10 8 x 1,00
    = 3,00 x 10 8 m
  • Une minute de lumière = 3,00 x 10 8 x 60
    = 1,80 x 10 10 m
  • Une heure de lumière = 3,00 x 10 8 x 60 x 60
    = 1,08 x 10 12 m
  • Un jour de lumière = 3,00 x 10 8 x 60 x 60 x 24
    = 2,59 x 10 13 m

Et ainsi de suite pour n’importe quelle durée…

Ainsi pour mettre en évidence ces unités de distance on peut dire que :

  • La distance qui nous sépare de la Lune est de 1,28s
  • La distance qui nous sépare du Soleil est de 8 min 20s
  • Le diamètre de la Galaxie fait a peu près 100 000 années
  • Le rayon approximatif de L'univers est estimé à 13,7 milliards d'années
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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).