Physique-Chimie — 3ème
L'organisation de la matière dans l'Univers — Physique-Chimie Troisième (chapitre 7)
La matière dans l'Univers en troisième : structures emboîtées de la Terre à l'Univers observable, ordres de grandeur des distances astronomiques,…
Par ProfBot
L'organisation de la matière dans l'Univers
Chapitre 7 — Organisation et transformations de la matière · Classe de troisième
Les six premiers chapitres ont regardé la matière de très près : un atome, un ion, une barquette de fer dans un tube. Celui-ci change d'échelle et regarde aussi loin que possible. On y retrouvera pourtant les mêmes outils : les puissances de 10 du chapitre 1, les atomes du chapitre 3 et la masse volumique du chapitre 2 — qui va servir, ici, à deviner de quoi une planète est faite sans jamais y poser le pied.
Au programme officiel. Décrire la structure de l'Univers et du système solaire. Ordres de grandeur des distances astronomiques. Utiliser l'unité « année-lumière » comme unité de distance. Connaître et comprendre l'origine de la matière : la matière constituant la Terre et les étoiles ; les éléments sur Terre et dans l'Univers (hydrogène, hélium, éléments lourds : oxygène, carbone, fer, silicium). (Programme de physique-chimie du cycle 4, BO n° 31 du 30 juillet 2020 ; la ressource Eduscol place l'évolution de l'Univers et l'origine des éléments au niveau 3e.)
1. Des structures emboîtées
Chaque objet est contenu dans le suivant, et chaque saut multiplie la taille par un facteur énorme. La Terre mesure $1{,}3\times10^{7}\ \mathrm{m}$ ; le système solaire, environ $9\times10^{12}\ \mathrm{m}$ ; la Voie lactée, notre galaxie, environ $10^{21}\ \mathrm{m}$ ; l'Univers observable, environ $9\times10^{26}\ \mathrm{m}$. Sans l'écriture scientifique, il serait impossible d'écrire ces nombres côte à côte.
| Structure | Ce qu'elle contient | Ordre de grandeur de sa taille |
|---|---|---|
| La Terre | une planète parmi huit | $10^{7}\ \mathrm{m}$ |
| Le système solaire | une étoile (le Soleil) et huit planètes | $10^{13}\ \mathrm{m}$ |
| La Voie lactée | environ cent milliards d'étoiles | $10^{21}\ \mathrm{m}$ |
| L'Univers observable | des milliards de galaxies | $10^{27}\ \mathrm{m}$ |
Le système solaire. Au centre, le Soleil, une étoile. Autour, huit planètes dans l'ordre : Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune. S'y ajoutent des satellites (la Lune en est un), des astéroïdes et des comètes.
Un mot sur le vocabulaire. Une étoile produit sa propre lumière ; une planète ne fait que réfléchir celle de son étoile. Si le Soleil s'éteignait, la Lune et Mars deviendraient invisibles.
2. Mesurer des distances avec de la lumière
Le mètre ne suffit plus. Pour les distances du ciel, on utilise une règle d'un genre nouveau : le temps que met la lumière.
La lumière parcourt $300\,000$ kilomètres par seconde. Elle met $1{,}3\ \mathrm{s}$ pour venir de la Lune, $8{,}3$ minutes pour venir du Soleil, $4{,}2$ ans pour venir de l'étoile la plus proche. Regarder loin, c'est donc regarder dans le passé : le Soleil que vous voyez est celui d'il y a huit minutes.
Définition. Une année-lumière (symbole $\mathrm{al}$) est la distance parcourue par la lumière en un an. Ce n'est pas une durée, c'est une longueur.
$1\ \mathrm{al} = 9{,}46 \times 10^{15}\ \mathrm{m}$
D'où vient ce nombre ? De la relation du chapitre 1, $d = v \times t$, appliquée à une année :
$d = c \times t = 3{,}00\times10^{8} \times (365{,}25 \times 24 \times 3600) \approx 9{,}5\times10^{15}\ \mathrm{m}$
Avec la valeur non arrondie de la vitesse de la lumière ($c = 2{,}998\times10^{8}\ \mathrm{m/s}$), on obtient la valeur de référence, $9{,}46\times10^{15}\ \mathrm{m}$. C'est un bon exemple du chapitre 1 : on n'annonce pas plus de chiffres que les données n'en garantissent.
| Distance | En unités usuelles | En mètres |
|---|---|---|
| Terre – Lune | $1{,}3$ seconde-lumière | $3{,}84\times10^{8}$ |
| Terre – Soleil | $8{,}3$ minutes-lumière | $1{,}50\times10^{11}$ |
| Soleil – Proxima du Centaure | $4{,}2$ années-lumière | $4{,}0\times10^{16}$ |
| Diamètre de la Voie lactée | $100\,000$ années-lumière | $9{,}5\times10^{20}$ |
Attention à l'erreur classique. « L'étoile est à quatre années-lumière » ne veut pas dire « on met quatre ans pour y aller ». Cela veut dire que sa lumière met quatre ans. Une fusée, beaucoup plus lente, mettrait des dizaines de milliers d'années.
3. D'où vient la matière ?
Les atomes du chapitre 3 ne sont pas éternels : ils ont été fabriqués.
L'histoire, en trois temps.
1. L'Univers a un âge : environ $13{,}8$ milliards d'années. Ses tout premiers instants n'ont produit que les atomes les plus simples : surtout de l'hydrogène et de l'hélium.
2. Les étoiles sont des usines à atomes. En leur cœur, l'hydrogène fusionne en hélium, puis, dans les étoiles massives, en éléments de plus en plus lourds : carbone, oxygène, silicium, jusqu'au fer.
3. Les étoiles massives explosent en fin de vie et dispersent ces éléments dans l'espace. C'est de ce nuage enrichi que se sont formés le Soleil, la Terre — et nous.
Trois listes très différentes. L'Univers est fait à $74\ \%$ d'hydrogène et à $24\ \%$ d'hélium : tout le reste, absolument tout, tient dans les $2\ \%$ restants. La croûte terrestre est dominée par l'oxygène et le silicium — c'est-à-dire par les roches. Le corps humain est surtout fait d'oxygène et de carbone, c'est-à-dire, pour l'essentiel, d'eau et de molécules organiques. Ces trois compositions n'ont presque rien en commun, et pourtant les atomes sont les mêmes, tous venus des étoiles.
La phrase à retenir. Les atomes de fer de votre sang et ceux d'un clou ont été fabriqués au cœur d'étoiles mortes depuis longtemps. La formule « nous sommes de la poussière d'étoiles » n'est pas une image : c'est un fait de chimie.
4. Deux familles de planètes — et la masse volumique pour les trier
On ne peut pas creuser Jupiter pour voir de quoi elle est faite. On peut en revanche mesurer sa masse (par l'effet de son attraction sur ses satellites) et son volume (par sa taille apparente), donc calculer sa masse volumique, comme au chapitre 2.
Le graphique se lit d'un coup : les quatre planètes proches du Soleil ont une masse volumique autour de $4$ à $5{,}5\ \mathrm{g/cm^3}$ — ce sont des planètes telluriques, faites de roche et de métal. Les quatre planètes lointaines tournent autour de $1\ \mathrm{g/cm^3}$ : ce sont des planètes gazeuses, faites surtout d'hydrogène et d'hélium. Saturne, à $0{,}69\ \mathrm{g/cm^3}$, est même moins dense que l'eau.
| Planète | $\rho$ (en $\mathrm{g/cm^3}$) | Famille |
|---|---|---|
| Mercure | $5{,}43$ | tellurique |
| Vénus | $5{,}24$ | tellurique |
| Terre | $5{,}51$ | tellurique |
| Mars | $3{,}93$ | tellurique |
| Jupiter | $1{,}33$ | gazeuse |
| Saturne | $0{,}69$ | gazeuse |
| Uranus | $1{,}27$ | gazeuse |
| Neptune | $1{,}64$ | gazeuse |
Ce que la masse volumique permet de conclure — et ce qu'elle ne permet pas. Elle prouve que Saturne ne peut pas être faite de roche : aucune roche n'a une masse volumique inférieure à celle de l'eau. Elle rend donc très probable qu'elle soit surtout gazeuse. Comme au chapitre 2, elle écarte des hypothèses avec certitude et en rend d'autres probables ; elle ne fait pas l'inventaire complet.
5. Exercices corrigés
Exercice 1 — Convertir en mètres. Une étoile est à $12$ années-lumière. Exprimer cette distance en mètres, en écriture scientifique.
$d = 12 \times 9{,}46\times10^{15} = 1{,}14\times10^{17}\ \mathrm{m}$
Exercice 2 — Le temps de trajet de la lumière. Mars se trouve, au plus près, à $5{,}6\times10^{10}\ \mathrm{m}$ de la Terre. Combien de temps met un signal radio (qui va à la vitesse de la lumière) pour l'atteindre ?
$t = \frac{d}{v} = \frac{5{,}6\times10^{10}}{3{,}00\times10^{8}} \approx 187\ \mathrm{s} \approx 3{,}1\ \mathrm{min}$
C'est pourquoi on ne pilote pas un robot martien en direct : il faut plus de trois minutes pour que l'ordre arrive.
Exercice 3 — Regarder dans le passé. La lumière de Proxima du Centaure met $4{,}2$ ans à nous parvenir. Si cette étoile explosait aujourd'hui, quand le verrait-on ?
Dans $4{,}2$ ans. Ce qu'on observe d'une étoile est toujours son état passé.
Exercice 4 — Identifier une famille. Une planète a une masse de $1{,}90\times10^{27}\ \mathrm{kg}$ et un volume de $1{,}43\times10^{24}\ \mathrm{m^3}$. (a) Calculer sa masse volumique en $\mathrm{kg/m^3}$ puis en $\mathrm{g/cm^3}$. (b) De quelle famille est-elle ? Laquelle est-ce ?
(a) $\rho = \frac{m}{V} = \frac{1{,}90\times10^{27}}{1{,}43\times10^{24}} \approx 1{,}33\times10^{3}\ \mathrm{kg/m^3} = 1{,}33\ \mathrm{g/cm^3}$
(b) Autour de $1\ \mathrm{g/cm^3}$ : c'est une planète gazeuse. La table donne Jupiter.
Exercice 5 — Ordres de grandeur. Classer du plus petit au plus grand : le diamètre de la Voie lactée, le diamètre de la Terre, la distance Terre–Soleil, le diamètre de l'Univers observable.
Diamètre de la Terre ($10^{7}\ \mathrm{m}$) < distance Terre–Soleil ($10^{11}\ \mathrm{m}$) < diamètre de la Voie lactée ($10^{21}\ \mathrm{m}$) < diamètre de l'Univers observable ($10^{27}\ \mathrm{m}$).
Exercice 6 — Lire une composition. Dans l'Univers, l'hydrogène représente $74\ \%$ de la masse et l'hélium $24\ \%$. Quel pourcentage reste-t-il pour tous les autres éléments — carbone, oxygène, fer, silicium compris ?
$100 - 74 - 24 = 2\ \%$
Deux pour cent pour tout le reste : c'est peu, et c'est pourtant de cela que sont faites les planètes rocheuses et les êtres vivants.
Exercice 7 — Vrai ou faux. « Saturne flotterait sur l'eau. » Justifier.
Vrai au sens de la masse volumique : $0{,}69\ \mathrm{g/cm^3} < 1{,}00\ \mathrm{g/cm^3}$, et un corps flotte si sa masse volumique est inférieure à celle du liquide (chapitre 2). C'est bien sûr une comparaison de pensée : il n'existe aucun océan capable de la contenir.
L'essentiel du chapitre
- Structures emboîtées : Terre ($10^{7}\ \mathrm{m}$) → système solaire ($10^{13}$) → Voie lactée ($10^{21}$) → Univers observable ($10^{27}$).
- La lumière va à $300\,000\ \mathrm{km/s}$, soit $3{,}00\times10^{8}\ \mathrm{m/s}$.
- Une année-lumière est une distance : $1\ \mathrm{al} = 9{,}46\times10^{15}\ \mathrm{m}$.
- Regarder loin, c'est regarder dans le passé.
- L'Univers est fait surtout d'hydrogène et d'hélium ; les éléments plus lourds (carbone, oxygène, silicium, fer) ont été fabriqués dans les étoiles.
- Les planètes telluriques ($\rho \approx 4$ à $5{,}5\ \mathrm{g/cm^3}$) sont rocheuses ; les planètes gazeuses ($\rho \approx 1\ \mathrm{g/cm^3}$) ne le sont pas — la masse volumique suffit à les distinguer.