Espace

Sujets de physique spatiale

Au sein de la physique GCSE, la physique spatiale a un objectif plus clairement défini. Tu devras te familiariser avec quatre sujets de la physique spatiale : Notre système solaire, le cycle de vie d'une étoile, les mouvements orbitaux et le décalage vers le rouge. Chacun de ces sujets est accompagné d'une explication qui va beaucoup plus loin que ce que nous allons aborder dans ce cours, alors n'oublie pas de les lire !

Physique spatiale et astrophysique

Au niveau GCSE, la physique spatiale et l'astrophysique peuvent être utilisées de manière totalement interchangeable. Tu n'as pas besoin de te préoccuper des différences entre les deux. Pour l'instant, tu dois seulement connaître et utiliser le terme de physique spatiale et savoir que l'astrophysique est un domaine de recherche qui signifie essentiellement la même chose. Mais ce n'est pas parce que tu n'as pas à t'inquiéter que tu ne peux pas dépasser le cadre de ton programme scolaire et apprendre en quoi la physique spatiale et l'astrophysique sont différentes aujourd'hui !

Aperçu de chaque sujet

Profitons maintenant de l'occasion pour examiner chaque sujet de la physique de l'espace et comprendre ce qu'il implique. Au fur et à mesure que tu apprendras chacun de ces sujets, tu pourras également commencer à établir des liens entre eux, ce qui devrait également renforcer ta compréhension globale de la physique de l'espace.

Notre système solaire

• Le thème "Notre système solaire" explore les objets du système solaire et la façon dont ils se sont formés. Il y a 9 objets principaux dans le système solaire, y compris le Soleil. Par ordre de distance par rapport au soleil, il s'agit de Mercure, Vénus, la Terre, Mars, Jupiter, Saturne, Uranus et Neptune. Chacune de ces planètes tourne autour du soleil à une vitesse et un rayon orbital différents.
• Certaines des planètes de notre système solaire ont également des objets en orbite autour d'elles, appelés lunes. Les lunes sont généralement beaucoup plus petites que les planètes autour desquelles elles gravitent et sont des exemples de satellites naturels. En plus de ces satellites naturels, des centaines de satellites artificiels voyagent à travers le système solaire, chacun effectuant des tâches différentes, étant utilisé comme relais de communication ou pour des études scientifiques.
• Tu découvriras également la réaction de fusion qui maintient une étoile dans un équilibre délicat entre l'effondrement sur elle-même et l'expansion vers le néant. Cela nous amène à découvrir le cycle de vie d'une étoile.

Le cycle de vie d'une étoile

Les étoiles font partie des plus grands objets individuels de l'univers et, comparées à la durée de vie d'un être humain, elles semblent vivre éternellement ! Les étoiles ont cependant un cycle de vie, tout comme les humains.

• Toutes les étoiles ont un cycle de vie qui va de la naissance de l'étoile à sa mort inévitable. La taille d'une étoile donnée détermine certains aspects de son cycle de vie. La taille d'une étoile détermine sa durée de vie, ainsi que les étapes qu'elle traverse jusqu'à sa mort.
• Au niveau GCSE, tu dois être capable de décrire le cycle de vie de deux tailles d'étoiles différentes : les étoiles qui ont à peu près la même taille que le soleil et les étoiles qui sont beaucoup plus grandes que le soleil. Le diagramme ci-dessous décrit les cycles de vie de ces deux types d'étoiles. Remarque que, quelle que soit la taille de l'étoile, elles passent toutes par les trois premières étapes ! Undiagramme montrant les cycles de vie de différentes tailles d'étoiles, Kourosh Simpkins - StudySmarter Originals
• Tu devras également apprendre comment une étoile génère de la chaleur et de la lumière. En bref, elles utilisent un processus appelé fusion nucléaire. La fusion nucléaire consiste à fusionner deux noyaux atomiques en un seul. Dans les étoiles de la séquence principale, les combustibles utilisés pour la fusion nucléaire sont des atomes d'hydrogène. Cependant, lorsque les étoiles atteignent la fin de leur cycle de vie, elles fusionnent des éléments plus lourds, jusqu'au fer. Tous les éléments plus lourds que le fer ont été formés dans des supernovae qui ont disséminé tous les éléments créés dans l'univers.

• Plusieurs des éléments du tableau périodique sont formés au cœur d'étoiles mourantes. Ce processus est appelé nucléosynthèse de supernova. Un autre type de nucléosynthèse est la nucléosynthèse stellaire, qui couvre tous les noyaux qui se forment dans une étoile à n'importe quel stade de sa vie. En fait, la plupart des éléments sont formés à cause d'une réaction ou d'une interaction impliquant des étoiles. Consulte la version du tableau périodique ci-dessous pour connaître les éléments et l'endroit où ils peuvent se former.

  Une version du tableau périodique, indiquant l'origine principale des éléments trouvés sur Terre, Par Cmglee - Travail personnel, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31761437

Mouvement orbital, satellites naturels et artificiels

Les entreprises et les pays consacrent beaucoup de temps, de main d'œuvre et d'argent à l'envoi de satellites dans l'espace pour effectuer diverses tâches. Certains satellites sont utilisés pour la navigation mondiale, comme les constellations GPS ou GLONASS. D'autres satellites peuvent être utilisés pour les connexions Internet par satellite, comme la constellation Starlink de SpaceX. Il est important de savoir que la vitesse orbitale de chacun de ces satellites a été calculée à un moment ou à un autre de sa vie. Nous voulons connaître la vitesse orbitale d'un satellite pour nous assurer qu'il reste en orbite.

Si la vitesse orbitale d'un satellite tombait en dessous de la vitesse minimale pour orbiter autour de la Terre, les ingénieurs voudraient immédiatement savoir pourquoi cela s'est produit et trouver un moyen d'y remédier. Comme il est très probable que tu utilises directement ou indirectement au moins un de ces satellites par jour, le calcul de la vitesse orbitale est un élément de la vie quotidienne que tu n'as peut-être jamais envisagé, et qui est essentiel au monde moderne.

• La force qui fait que les objets maintiennent des orbites circulaires est la gravité. Chaque objet de l'univers exerce une attraction gravitationnelle, mais tu ne ressens probablement pas l'attraction gravitationnelle des personnes ou d'autres objets relativement petits, car elle n'est vraiment perceptible que lorsque l'objet a une masse très importante, comme une planète.

• Non seulement chaque objet dans l'espace exerce une attraction gravitationnelle, mais il a également un mouvement orbital qui définit la façon dont l'objet se déplace dans l'espace. Pour une orbite circulaire, la vitesse de l'orbite est constante, mais la vélocité change constamment. Rappelle-toi que la vitesse est la vitesse d'un objet dans une direction donnée. Dans le diagramme ci-dessous, la vitesse de la planète ne change pas, mais remarque que la vitesse change entre l'emplacement 1 et l'emplacement 2 en raison du changement de direction du mouvement de l'objet lorsqu'il se déplace de l'emplacement 1 à l'emplacement 2.

  Un diagramme montrant les vecteurs de vitesse et de force d'un objet en orbite circulaire autour d'un corps plus massif. Originaux de StudySmarter

Décalage vers le rouge

Il existe quelques théories qui explorent la façon dont notre univers est apparu. Ces théories sont basées sur les observations que les astronomes ont faites et sur l'examen de concepts tels que le décalage vers le rouge et l'énergie noire. Dans le cadre du thème du décalage vers le rouge, nous explorerons et expliquerons également la théorie du big bang.

• Le décalage vers le rouge est le phénomène selon lequel la lumière que nous observons en provenance de galaxies lointaines est plus "rouge" lorsqu'elle atteint la Terre que lorsqu'elle a été émise à l'origine par une galaxie. La longueur d'onde de la lumière est décalée vers l'extrémité rouge du spectre visible. L'expansion de l'univers est l'une des sources du décalage vers le rouge. L'expansion de l'espace fait que les galaxies qui sont plus éloignées de nous s'éloignent de nous plus rapidement. Les ondes lumineuses émises par les galaxies plus éloignées et relativement plus rapides sont plus décalées vers le rouge que les galaxies plus proches et plus lentes. Plus la lumière d'une galaxie est décalée vers le rouge, plus la galaxie s'éloigne rapidement de nous.
• Le fait que nous puissions observer un décalage vers le rouge est une preuve de la théorie du big bang. La théorie du big bang suggère que l'univers a commencé par une très petite région extrêmement chaude et très dense. Cette théorie est également étayée par le fait que l'univers semble être en expansion et que nous avons observé cette expansion grâce au décalage vers le rouge.
• Nous ignorons encore beaucoup de choses sur l'univers. L'énergie noire et la matière noire en sont deux exemples.

• Les scientifiques ne savent pas exactement pourquoi le taux d'expansion de notre univers augmente, mais certains ont théorisé que cela était dû à un phénomène que nous n'avons pas encore entièrement découvert, appelé énergie noire.

• Lamatière noire a été théorisée à la suite d'observations de galaxies tournant trop rapidement pour la masse qu'elles contiennent. Nous ne connaissons son existence que parce qu'elle a un effet gravitationnel sur les objets proches, mais nous ne l'avons jamais observée directement.