Quelles sont les frontières de l'Univers ?

On le voit chaque nuit, en levant les yeux au ciel : l’espace, que l’on dirait presque à portée de main. Mais de quoi parle-t-on exactement ? Par quelles lois physiques est-il régi ? Où commence et où finit l’espace ?

• L’espace à portée de main

Où commence l’espace, pour nous, Terriens ? L’espace commence là où finit notre atmosphère, à environ 100 km. Mais cette frontière est floue, l’atmosphère disparaissant très progressivement sur des centaines de km. Ce qui est sûr, c’est que l’espace, finalement, commence à portée de main de la Terre. 100 km : c’est moins que la distance entre Paris et Rouen.

• Espaces proche et lointain

Dans l’espace proche (sous-entendu de la Terre), la force d’attraction de la Terre agit encore. On y trouve tous les satellites en orbite terrestre, entre environ 400 km (comme la Station spatiale internationale, ISS) et jusqu’à 36 000 km d’altitude. Certaines sondes scientifiques sont aussi envoyées plus loin, là où la force d’attraction de la Terre et du Soleil s’équilibrent (on appelle cela les points de Lagrange Terre/Soleil). Le plus éloigné se situe à 1,5 million de km de la Terre. Il « héberge » des satellites comme Gaia, Webb ou Euclid.

L’espace profond correspond aux contours de notre Système solaire, qui s’étend lui sur 15 milliards de km. C’est immense, pourtant l’espace profond reste lui aussi accessible aux humains. Ou plus exactement aux sondes qu’ils construisent, comme JUICE (satellite d’exploration de Jupiter) ou Cassini-Huygens (Saturne…).

Au-delà de notre Système solaire, on parle donc d’espace interstellaire ou lointain. Cela concerne ce qui se trouve dans notre galaxie, la Voie Lactée. Mais également le reste de l’Univers, qui comprend des centaines de milliards de galaxies.

• L'Univers est-il fini ou infini ?

Les scientifiques n’ont pas de réponse à cette grande question. Ce que l’on sait, c’est que l’Univers est en expansion. Les galaxies qui le composent s’éloignent les unes des autres. Cette expansion, de plus, s’accélère, mais l’on ne connaît pas la cause de cette accélération. Encore un grand mystère…

L’espace : des mathématiques et des hommes

L’espace est régi par des lois physiques, des principes fondamentaux établis par de grands savants au 16e et 17e siècles, et sur lesquels se basent les ingénieurs aujourd’hui pour envoyer des fusées et calculer les trajectoires des satellites dans l’espace.

• Kepler et les ellipses

L’astronome et mathématicien allemand Johannes Kepler (1571-1630) a établi, théoriquement, 3 lois qui décrivent le fonctionnement d’un astre qui tourne autour d’un corps dans l’espace : la Terre autour du Soleil ou la Lune autour de la Terre par exemple. Ces lois démontrent notamment que les astres suivent des trajectoires dites en ellipse autour du corps central. Des ellipses plus ou moins écrasées. Elles peuvent être quasiment rondes (comme la Terre autour du Soleil), mais aussi très allongées, étirées (comme la trajectoire des comètes autour du Soleil).

• Newton, Einstein et la gravitation

La gravitation est la force qui fait que, dans l’espace, tous les corps s’attirent entre eux. C’est pourquoi, quand vous lâchez une pomme, elle tombe au sol. La Terre exerce une attraction (la gravitation) sur la pomme. L’inverse est aussi vrai, mais sans effet car la masse de la pomme est ridicule comparée à celle de la Terre.

La gravitation a été mise en équation par le mathématicien britannique Isaac Newton (1642-1727), qui en a eu l’intuition en voyant une pomme tomber au sol !

Puis en 1905, un certain Albert Einstein propose une autre description de la gravitation. Pour le physicien, la pomme est attirée car la Terre déforme l’espace-temps autour d’elle… Pas simple à comprendre. Imaginez que l’espace-temps soit un tissu tendu, sur lequel se trouve une bille. On y met alors une boule de bowling, qui déforme le tissu, attirant vers elle la bille… Les masses s’attirent par la déformation de l’espace-temps qu’elles provoquent !

• Tsiolkovski et la propulsion des fusées

Constantin Tsiolkovski est considéré comme le père des voyages dans l’espace. Cet instituteur russe (1857-1935) a théorisé, par des formules mathématiques, comment pourraient se déplacer des fusées dans l’espace. L’équation dite de Tsiolkovski décrit le principe de la propulsion des fusées (ou autre vaisseau) par un moteur.

L’espace, un monde hostile

L’espace contient si peu de matière qu’il peut être considéré comme vide. Sans matière, sans molécule, sans atome (ou presque, il reste en moyenne 1 atome/m³)… C’est pourquoi l’espace est silencieux. Le son se propage en effet en utilisant l’air ou l’eau comme support. Pas d’air, pas de son.

• Du vide et des rayons

L’espace, néanmoins, est parcouru de rayonnements dits électromagnétiques (dont font partie la lumière ou les ondes radio par exemple) et qui, contrairement au son, peuvent se déplacer dans le vide. Ces rayons sont émis par les phénomènes spectaculaires qui secouent l’Univers. Comme les supernovae, qui sont les explosions de très grosses étoiles en fin de vie. Ces phénomènes émettent des rayons X très puissants, voire des rayons gamma, encore plus énergétiques.

Plus proche de nous, le Soleil, lui aussi, déverse continuellement des particules et des rayons mortels. Parfois, des éruptions solaires expulsent dans l’espace des gigantesques quantités d’énergie. La vitesse des particules alors éjectées peut atteindre 50 000 km/h. Les humeurs du Soleil sont toutefois sous haute surveillance, notamment via des sondes scientifiques comme Solar Orbiter (Europe) ou Parker Solar Probe (USA).

Sur Terre, nous sommes protégés contre tous ces rayonnements qui parcourent l’espace car ils sont bloqués par l’atmosphère et le champ magnétique, qui agissent comme des boucliers. Mais dans l’espace, ils peuvent être dangereux. Pour les vaisseaux ou les satellites, qui doivent être protégés par des blindages par exemple. Mais surtout pour les astronautes, chez qui ils peuvent provoquer des maladies. Dans l’ISS, à 400 km d’altitude, ils sont encore un peu protégés. Mais pas au-delà… Ce problème est pris très au sérieux par les agences spatiales, qui savent que ce sera l’un des principaux défis à surmonter avant de faire voyager des humains dans l’espace en direction de Mars.

• Coup de chaud, coup de froid

Dans l’espace, les températures des corps ou des événements sont extrêmes. La température mesurée la plus froide est de -272°C (dans la nébuleuse du Boomerang). Quant aux étoiles les plus chaudes, elles peuvent atteindre plus de 50 000 °C.

Et même dans l’espace proche, les écarts de température sont importants. A 400 km d’altitude, la température peut passer en quelques minutes de +120°C à -150 °C, selon l’exposition à notre Soleil, qui transmet son énergie, donc sa chaleur, par rayonnement. C’est pourquoi les satellites ou les scaphandres des astronautes sont équipés de systèmes pour lutter contre le chaud et le froid (chauffage, couverture isolante, parasol…).

À qui appartient l’espace ?

En 1967, alors que la conquête spatiale en est à ses débuts, une centaine de pays (États-Unis, URSS, Chine, France, Japon…) signent le Traité de l’espace, qui affirme que l’espace n’appartient à personne. Que chacun peu l’explorer, voire l’utiliser, mais pas se l’approprier. Du coup, les satellites y évoluent librement, sans avoir à tamponner leur passeport toutes les 3 min ! Il en va de même pour les planètes, les lunes, les météorites…. : aucun pays n’a le droit d’en revendiquer la propriété. La Lune, par exemple, fait partie du « patrimoine commun de l’humanité ». Le Traité de l’espace interdit aussi la militarisation de l’espace, en interdisant par exemple les installations militaires sur la Lune.

Mais dans les faits, les choses ne sont pas aussi simples. Car chaque pays est libre de décider ce qu’il autorise - ou non - à faire dans l’espace. Plusieurs pays, États-Unis, Luxembourg, ou Émirats Arabes Unis par exemple, autorisent l’exploitation des ressources que l’on peut trouver dans l’espace. Tous les pays ne sont pas d’accord sur cette question des ressources et de leur appropriation. Plusieurs pays, dont la France, pensent que cela devrait se gérer non pas au niveau des États, mais au niveau international, via l’ONU par exemple.

Quizz

Les humains sont aujourd’hui capables d’envoyer des sondes dans l’espace lointain, aux confins de notre Système solaire. Quel est, à ce jour, l’objet construit par les humains le plus éloigné de la Terre ?

A – Le vaisseau Enterprise

B – Voyager 1

C – Le télescope spatiale James Webb

D – Spoutnik