L’astrophysique est une branche interdisciplinaire de l'astronomie qui concerne principalement la physique et l'étude des propriétés des objets de l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) (étoiles, planètes, galaxies, milieu interstellaire (En astronomie, le milieu interstellaire est le gaz raréfié qui, dans une galaxie, existe entre...) par exemple), comme leur luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...), leur densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...), leur température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...) et leur composition chimique.
Actuellement, les astronomes ont une formation en astrophysique (L’astrophysique (du grec astro = astre et physiqui = physique) est une branche...) et leurs observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) sont généralement étudiées dans un contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le...) astrophysique, de sorte qu'il y a moins de distinction entre ces deux disciplines qu'auparavant.
Il existe différentes disciplines en astrophysique :
L’astrophysique étant un sujet très vaste, les astrophysiciens utilisent généralement plusieurs disciplines de la physique, dont la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...), l’électromagnétisme, la mécanique statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon....), la thermodynamique (On peut définir la thermodynamique de deux façons simples : la science de la chaleur...), la mécanique quantique (La mécanique quantique est la branche de la physique qui a pour but d'étudier et de...), la relativité, la physique nucléaire (La physique nucléaire est la science qui étudie non seulement le noyau atomique en tant...), la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...), la physique atomique et moléculaire.
Aussi loin que remontent les données historiques, on y trouve des preuves de l’existence de l’astronomie. Pendant longtemps, l’astronomie était une discipline bien distincte de la physique. Dans la pensée aristotélicienne, le monde (Le mot monde peut désigner :) céleste tendait à la perfection, avec les corps célestes qui semblaient être des sphères parfaites circulants sur des orbites parfaitement circulaires, alors que le monde terrestre semble condamné à l’imperfection. Ces deux mondes ne pouvaient donc pas être liés.
Aristarque de Samos (Aristarque de Samos, en grec ancien...) (310 av. J.-C.) - 250 av. J.-C.) fut le premier à mettre en avant l’idée selon laquelle le mouvement des corps célestes pouvait s’expliquer par la rotation des planètes du système solaire (Le système solaire est un système planétaire composé d'une étoile, le...) (dont la Terre) autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du Soleil (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile...). Malheureusement, à l’époque, la vision géocentrique de l’univers prévalait et la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) héliocentrique d’Aristarque fut déclarée farfelue et hérétique. Cette vision resta en place jusqu’à ce qu’un astronome (Un astronome est un scientifique spécialisé dans l'étude de l'astronomie.) nommé Nicolas Copernic (Nicolas Copernic (polonais : Mikołaj Kopernik, allemand : Nikolaus Kopernikus,...) ressuscitât le modèle héliocentrique au XVIe siècle. En 1609, grâce à la lunette astronomique (Une lunette astronomique est un instrument optique qui permet d'augmenter la taille apparente et la...) qu'il avait inventé, Galilée (Galilée ou Galileo Galilei (né à Pise le 15 février 1564 et mort à Arcetri près de Florence,...) découvrit les quatre lunes les plus brillantes de Jupiter, et démontra qu’elles tournaient tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) autour de cette planète (Une planète est un corps céleste orbitant autour du Soleil ou d'une autre étoile de...). Cette découverte était en complète contradiction (Une contradiction existe lorsque deux affirmations, idées, ou actions s'excluent mutuellement.) avec le dogme de l’Église catholique de l’époque. Il n’échappa à une peine sévère qu’en prétendant que son œuvre n’était que pur travail mathématique et donc purement abstrait, contrairement à la philosophie naturelle (la physique).
À partir des données précises d’observations (principalement en provenance de l’observatoire de Tycho Brahe), des recherches ont été menées pour trouver une explication théorique au comportement observé. Dans un premier temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), seules des lois empiriques ont été formulées, telles que les lois de Kepler (En astronomie, les lois de Kepler décrivent les propriétés principales du mouvement...) sur le mouvement planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire...) au début du XVIIe siècle. Quelques années plus tard, Isaac Newton (Isaac Newton (4 janvier 1643 G – 31 mars 1727 G, ou 25 décembre...) réussi à faire le lien entre les lois de Kepler et la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) de Galilée. Il découvrit en effet que les mêmes lois régissaient la dynamique des objets sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance...) et le mouvement des astres dans le système solaire. La mécanique céleste (La mécanique céleste est un terme qui désigne la description du mouvement d'objets...), application de la gravité (La gravitation est une des quatre interactions fondamentales de la physique.) newtonienne et des lois de Newton pour expliquer les lois de Kepler sur les mouvements des planètes, fut la première unification (Le concept d'unification est une notion centrale de la logique des prédicats ainsi que...) de l’astronomie et de la physique.
Après qu’Isaac Newton eut publié son livre, Philosophiae Naturalis Principia Mathematica, la navigation maritime (La navigation maritime concerne toute les activités humaines de circulation sur les mers et...) changea radicalement. À partir de 1670, le monde entier était mesuré à partir d’instruments modernes donnant la latitude (La latitude est une valeur angulaire, expression du positionnement nord-sud d'un point sur Terre...) et d’horloges. Les besoins de la Marine poussaient à l’amélioration progressive des instruments et des observations astronomiques, donnant ainsi davantage de données aux scientifiques.
À la fin du XIXe siècle, on découvrit que la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil...) du Soleil pouvait se décomposer en un spectre de lignes colorées. Des expériences avec des gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et...) chauffés montrèrent par la suite que les mêmes lignes étaient présentes dans leur spectre. Ces lignes spécifiques correspondaient à un élément chimique unique. Ceci fut la preuve que les éléments chimiques présents dans le Soleil pouvaient être trouvés sur Terre. En effet, l’hélium fut d’abord découvert dans le spectre du Soleil, d’où son nom, et seulement ensuite sur la Terre. Au XXe siècle, la spectroscopie (l’étude de ces lignes spectrales) se développa, notamment grâce aux avancées de la physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...) qui pouvait expliquer les observations expérimentales et astronomiques.[1]
La majorité des observations en astrophysique sont effectuées en utilisant le spectre électromagnétique (Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement...).
Mis à part les radiations électromagnétiques, seulement très peu de choses situées à grande distance peuvent être observées depuis la Terre. Quelques observatoires d’ondes gravitationnelles ont été construits mais ces ondes sont très difficiles à détecter. On trouve également quelques observatoires de neutrinos pour l’étude du Soleil, principalement. Les rayons cosmiques sont des particules de haute énergie qui sont observées lorsqu'elles heurtent l’atmosphère terrestre.
Les observations diffèrent également sur l'échelle de temps qu’elles considèrent. La plupart des observations optiques s'étalent sur plusieurs minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. ...), voire sur plusieurs heures (L'heure est une unité de mesure :), de sorte que les phénomènes qui évoluent plus rapidement que cet intervalle de temps ne sont pas visibles. Cependant, les données historiques de quelques objets s’étendent sur des siècles ou des millénaires. D'autre part, les observations radio se focalisent sur des événements à l’échelle de la milliseconde (pulsar milliseconde) ou combine les données de plusieurs années (études de la décélération des pulsars). Les informations obtenues à ces différentes échelles permettent d'accéder à des résultats différents.
L’étude de notre propre Soleil tient une place particulière dans l’astrophysique observationnelle. Du fait de l'énorme distance à laquelle se trouvent les autres étoiles, les détails que l’on peut acquérir sur le Soleil sont sans commune mesure avec ce que l’on pourrait observer sur les autres étoiles. La compréhension de notre Soleil sert ainsi de guide à notre connaissance des autres étoiles.
L’évolution stellaire (Stellaria est un genre de plantes herbacées annuelles ou vivaces, les stellaires, de la...), le sujet qui étudie comment changent les étoiles, est souvent modélisée en plaçant les différents types d’étoiles à leur position sur le diagramme de Hertzsprung-Russell (En astronomie, un diagramme de Hertzsprung-Russell est un graphe montrant la luminosité d'un...). Ce diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées,...) représente l’état d’un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) stellaire, de sa naissance à sa disparition. La composition matérielle des objets astronomiques peut souvent être étudiée en utilisant :
Les astrophysiciens utilisent une grande variété d’outils comme les modèles analytiques (tels que les polytropes pour obtenir le comportement approximatif d’une étoile) ou la simulation numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) sur ordinateur (Un ordinateur est une machine dotée d'une unité de traitement lui permettant...). Chaque outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) a ses avantages. Les modèles analytiques d’un processus sont généralement meilleurs pour obtenir le fonctionnement interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...). Les modèles numériques, eux, peuvent révéler l’existence de phénomènes et d’effets qui ne pourraient être vus autrement.[2][3]
Les théoriciens en astrophysique essayent de créer des modèles théoriques et de comprendre les conséquences observables de ces modèles. Ceci aide les observateurs à rechercher les données qui peuvent réfuter un modèle ou aider dans le choix entre plusieurs alternatives (Alternatives (titre original : Destiny Three Times) est un roman de Fritz Leiber publié...) ou modèles contradictoires.
Les théoriciens essayent également de produire ou modifier des modèles pour tenir compte de nouvelles données. En cas de contradiction, la tendance générale est d'essayer de faire des modifications minimes du modèle pour l'adapter aux données. Dans certains cas, une grande quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de données incohérentes à répétition peut mener à l'abandon total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) d'un modèle.
Les sujets étudiés par les théoriciens en astrophysique incluent l’évolution et la dynamique stellaire, la formation des galaxies, les structures matérielles à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un...) de l’Univers, l’origine des rayons cosmiques, la relativité générale (La relativité générale, fondée sur le principe de covariance générale...) et la cosmologie physique, avec l’aide de la théorie des cordes (La théorie des cordes est l'une des voies envisagées pour régler une des questions...) et la physique des particules. L’astrophysique relativiste sert d’outils pour évaluer les propriétés des structures à grande échelle. Pour ces structures, la gravitation (La gravitation est le phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction...) joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle important dans les phénomènes physiques étudiés et sert de base pour la physique des trous noirs et l’étude des ondes gravitationnelles.
Parmi les théories étudiées et les modèles reconnus en astrophysique, on peut trouver le modèle lambda-CDM qui incluse le Big-bang, l’inflation cosmique, la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais...) et les théories fondamentales de la physique.
Quelques exemples de processus :
Processus Physique | Outil Expérimental | Modèle Théorique | Explique / Prédit |
Gravitation | Radiotélescopes | Effet Nordtvedt | Émergence d'un système planétaire (Un système planétaire (parfois appelé abusivement système stellaire) est...) |
Fusion nucléaire (La fusion nucléaire (dite parfois thermonucléaire) est, avec la fission, l’un des...) | Spectroscopie | Évolution des étoiles | Comment brillent les étoiles et comment se forment les métaux |
Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a...) | Télescope spatial Hubble (Le télescope spatial Hubble (en anglais, Hubble Space Telescope ou HST) est un télescope en...), COBE | Expansion de l'Univers | Âge de l'Univers |
Fluctuations quantiques | Inflation cosmique (L'inflation cosmique est un modèle cosmologique s'insérant dans le paradigme du Big Bang...) | Problème de planéité | |
Effondrement gravitationnel | Astronomie (L’astronomie est la science de l’observation des astres, cherchant à expliquer...) des rayons X | Relativité générale | Trous noirs au centre de la galaxie (Une galaxie est, en cosmologie, un assemblage d'étoiles, de gaz, de poussières et de...) d'Andromède |
Cycle carbone-azote-oxygène (Le cycle carbone-azote-oxygène (cycle CNO en anglais) est l'une des deux réactions de fusion...) des étoiles |
L'énergie sombre (En cosmologie, l'énergie sombre est une forme d'énergie hypothétique remplissant tout l'Univers...) et la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) noire sont actuellement les principaux sujets de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) en astrophysique, étant donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) que leur découverte et la controverse sur leur existence est issue de l'étude des galaxies.