Astrophysique pour les nuls

Astrophysics is notoriously difficult idea to wrap your head around because it’s incredibly vast, yet also extremely detail-oiented. We’ve broken down the information into digestible chapters so that you can read this book all at once, or can flip throught to only the sections that interest you.

Découvrir l’astrophysique

La citation liminaire est tirée de l’introduction du livre Astrophysics For Dummies, de Cynthia Phillips et Shana Priwer. Cette introduction présente le sujet d’étude, les présupposés courants, les trucs utiles pour bien comprendre le vocabulaire scientifique, et un guide d’utilisation des icônes affichées en marge du texte.

La mise en page du livre est similaire à celle des autres volumes publiés dans la collection Pour les nuls des éditions Wiley.

L’ensemble de l’exposé est bien aéré. Le style est dynamique. Le vocabulaire est explicite. Les illustrations sont abondantes. Les exemples tirés de la vie quotidienne favorisent la compréhension des notions scientifiques.

Le contenu est ainsi structuré : introduction, cinq parties regroupant dix-huit chapitres, glossaire et index. Les cinq parties portent sur ces thèmes : initiation à l’astrophysique; étoiles et exoplanètes; galaxies; cosmologie; grands scientifiques et missions importantes. Huit planches d’images en couleur, superbes et légendées, sont insérées au milieu du livre.

Les outils de repérage sont remarquables : le sommaire (1 page) et la table des matières (10 pages), tout au début du volume; le glossaire (6 pages) et l’index (19 pages), à la fin du livre.

Quelques rubriques habituelles complètent le tout : notes biographiques sur les auteurs, dédicace, remerciements et crédit pour l’image de la page de couverture.

Un livre au contenu instructif et captivant, avec une approche didactique exemplaire. J’imagine qu’une traduction en français de ce volume sera publiée au cours de l’année 2025.

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Attardons-nous à la première partie du livre : Getting Started with Astrophysics. Une initiation à l’astrophysique est présentée dans quatre chapitres : Welcome to the Universe, The A to Z of Physics, Astronomy in a Nutshell, Bridging the Gap Between Astronomy and Physics.

Le chapitre initial expose les bases de l’astrophysique : la définition et la spécificité de l’astrophysique; les liens entre l’astrophysique, l’astronomie et la physique; le spectre électromagnétique, les ondes électromagnétiques en fonction de leur longueur d’onde et de leur fréquence; les instruments d’exploration de l’Univers, dont les observatoires terrestres et les télescopes spatiaux; un tour d’horizon sur l’exploration des objets célestes (distances, astres observés, lumière).

L’exposé est enrichi par des illustrations : un tableau sur la classification des ondes électromagnétiques, un schéma sur le spectre électromagnétique, des images de la Nébuleuse du Crabe à différentes longueurs d’onde, une photo du LBTO (Large Binocular Telescope Observatory) situé en Arizona. Des encadrés portent sur ces notions : les moyens utilisés pour scruter l’invisible, les ondes lumineuses et sonores, les deux types d’observation astronomique (capteur photographique de type CCD, spectrographe).

Le chapitre 2 explique les bases de la physique : les particules (atomes, molécules, photon), la matière baryonique (masse, volume, densité; états solides, liquides, gazeux et plasma), les quatre interactions fondamentales régissant l’Univers (interaction électromagnétique, interaction faible, interaction nucléaire forte, interaction gravitationnelle), l’énergie (formes; énergie cinétique et énergie potentielle; énergie thermique; rayonnement électromagnétique; nature ondulatoire et corpusculaire de la lumière), les lois scientifiques en physique (lois du mouvement de Newton, loi de la conservation de l’énergie, équation d’équivalence entre la masse et l’énergie formulée par Einstein), la chaleur et l’énergie (lois de la thermodynamique, rayonnement du corps noir, constante de Planck, mécanique quantique).

L’exposé est enrichi par des illustrations : un tableau sur les particules subatomiques, un schéma sur l’atome et ses composantes, le tableau périodique des éléments, le schéma de la structure moléculaire de l’eau, un tableau sur les interactions fondamentales dans la nature, un tableau sur les formes d’énergie, un dessin sur énergie cinétique et énergie potentielle, un tableau sur les lois de Newton, un tableau sur les lois de la thermodynamique, un dessin sur le rayonnement du corps noir. Des encadrés portent sur ces notions : vacuum, masse et poids.

Le chapitre 3 présente une synthèse sur l’astronomie : une rétrospective historique; la cartographie du Système solaire, de la Voie lactée et de l’Univers (échelles et distances, lois de Kepler; planètes; astéroïdes, comètes, météorites); l’observation et la cartographie des étoiles (constellations, ascension droite et déclinaison, écliptique); la dénomination des objets astronomiques.

L’exposé est enrichi par des illustrations : le satellite spatial Hubble, une image regroupant le Système solaire, la Voie lactée et l’Univers, un tableau sur le Système solaire (objet, diamètre, température à la surface), un tableau et un schéma sur les lois de Kepler, une image de la comète Halley en 1986, un diagramme sur l’écliptique. Des encadrés portent sur ces notions : les avantages de l’observation avec des télescopes spatiaux, les conceptions de l’Univers (géocentrique, héliocentrique), une échelle des distances (kilomètre, unité astronomique, année-lumière), les objets non stellaires.

Le chapitre 4 porte sur quelques spécificités de l’astrophysique : les concepts majeurs (spectroscopie, lumière, distances et durée; mécanique céleste, rotation axiale et orbite elliptique), les domaines d’étude spécialisés (astrophysique théorique, astrophysique observationnelle, astrophysique expérimentale, astrophysique des hautes énergies, cosmologie), les instruments astronomiques (différents types de télescopes terrestres et spatiaux), l’héliophysique (Soleil et Système solaire), les éclipses (lunaires, solaires).

L’exposé est enrichi par des illustrations : les décalages (rouge, bleu), les distances cosmiques en années-lumière, le diagramme de l’orbite terrestre, les dessins d’un télescope à réfraction et d’un télescope à réflexion, une photo du radiotélescope VLA situé au Nouveau-Mexique, une image du Soleil captée par le SDO, un diagramme d’une éclipse lunaire, un diagramme d’une éclipse solaire, photos d’éclipses solaires. Des encadrés portent sur ces notions : l’optique adaptative, l’impact des éruptions solaires sur la Terre, les types d’éclipses, la durée d’une éclipse.

Plusieurs formules mathématiques sont expliquées dans cette première partie du volume, tout comme dans les parties suivantes du livre.

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La deuxième partie du livre, When you Wish Upon a…, porte sur les étoiles, les exoplanètes et d’autres objets astronomiques découverts récemment.

Le chapitre 5 expose l’importance des étoiles (dont le Soleil pour la Terre), le processus de nucléosynthèse, la naissance des étoiles dans des pouponnières d’étoiles (nuages moléculaires formés de poussière et de gaz, en particulier), les propriétés, types et caractéristiques des étoiles, le cycle de vie des étoiles et la création des éléments chimiques.

Le chapitre 6 analyse les systèmes stellaires binaires et multiples (centre de gravité, orbites, éclipses, vélocité radiale; problème des trois corps), les amas stellaires (ouverts ou galactiques, fermés ou globulaires), le milieu interstellaire (nuages moléculaires), les nébuleuses (diffuses, obscures, planétaires, rémanents de supernova).

Le chapitre 7 porte sur les exoplanètes : une brève rétrospective sur les astres du Système solaire; les exoplanètes (types et caractéristiques, dénominations, méthodes de détection); le processus de formation des planètes et la diversité des systèmes planétaires (observations et modèles informatiques); les méthodes et les instruments utilisés pour analyser l’atmosphère des exoplanètes; les recherches la vie sur des exoplanètes (zone habitable, biosignature, technosignature).

Le chapitre 8 présente les découvertes de nouveaux objets astronomiques en lien avec des théories scientifiques : les (étoiles) naines blanches, noires, rouges et brunes; les étoiles géantes; les trous noirs stellaires et supermassifs; les ondes gravitationnelles; les étoiles à neutron et les pulsars; les noyaux actifs de galaxie ou AGN (quasars, blazars, sursauts gamma).

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La Voie lactée et les autres galaxies font l’objet de la troisième partie du livre, sous le titre Galaxies : Teamwork Makes the Dream Work.

Le chapitre 9 brosse un portrait général des galaxies : la Voie lactée (caractéristiques, localisation); les découvertes de Charles Messier (18e siècle) et d’Edwin Hubble (20e siècle); la classification des galaxies (spirales, elliptiques, lenticulaires, irrégulières).

Le chapitre 10 explique les rouages galactiques : le processus de formation des galaxies (matière, gravité, instabilité, effondrement); le mouvement orbital et la rotation différentielle; la structure galactique (trois théories expliquant la formation des galaxies; éléments constitutifs des galaxies; évolution; les galaxies actives (galaxies radioactives, galaxies de Seyfert); le rôle des trous noirs (types, matière noire, importance pour l’évolution des galaxies); le champ profond de Hubble (1995).

Le chapitre 11 porte sur les amas de galaxies : les types (groupes de galaxies, amas de galaxies, superamas de galaxies), le contenu d’un amas (matière noire jusqu’à 90% de la masse, plasma de 10 à 15 %, poussière, gaz et étoiles pour au moins 5 %), le calcul de l’estimation de la masse; le superamas de superamas de galaxies Laniakea et les filaments galactiques; la structure et la formation des amas galactiques; la physique des amas de galaxies (matière noire, matière baryonique, gravité, radiation); les fusions de galaxies et d’amas de galaxies; des implications pour la compréhension de l’Univers.

Le chapitre 12 présente des phénomènes galactiques étranges et farfelus : l’archéoastronomie, l’astrophysique des hautes énergies (rayonnement, télescopes, noyaux actifs de galaxie, sursauts gamma, supernovae), les lentilles gravitationnelles, les trous de ver, la théorie des cordes.

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La quatrième partie du livre, intitulée Cosmology : The Beginning and End of Everything, est consacrée à la cosmologie.

Le chapitre 13 traite de l’origine de l’Univers : la théorie de la création de l’Univers (contexte historique de sa formulation; expansion de l’espace, inflation cosmique, création des particules fondamentales, âge sombre, formation des premières étoiles), les fondements de la théorie du Big Bang (loi de Hubble et expansion de l’Univers, rayonnement de fond diffus cosmique ou CMB, nucléosynthèse primordiale), les fondements de la théorie de l’inflation (température uniforme, fluctuations quantiques), les périodes de la domination du rayonnement, de la domination de la matière et de l’énergie noire), le principe cosmologique (Univers isotropique et homogène). Le chapitre 14 porte sur l’émergence de la lumière et la naissance des étoiles : les Âges sombres, la formation et la classification des étoiles (populations III, II, I), la période de la réionisation, la formation des premières galaxies.

Le chapitre 15 explore la théorie de la relativité (restreinte, générale), la matière noire et l’énergie noire.

Le chapitre 16 étudie le devenir de l’Univers : la description de trois scénarios sur la fin de l’Univers (Big Freeze, Big Rip, Big Crunch); les recherches scientifiques sur la désintégration du vide (le boson et le champ de Higgs).

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La cinquième partie du livre, The Part of Tens, affiche le palmarès des dix astrophysiciens les plus marquants (chapitre 17) et la description des dix plus importants télescopes (chapitre 18), selon les deux autrices américaines.

Référence

Phillips, Cynthia; Priwer, Shana. – Astrophysics For Dummies. – Hoboken (New Jersey, États-Unis d’Amérique) : John Wiley and Sons, 2024. – xiv, 380 p. – ISBN 978-1-394-23504-9. – BAnQ : 523.8 P5586a 2024.

Image

Pouponnière d’étoiles Rho Ophiuchi (Image du télescope spatial James-Webb, 12 juillet 2023). – Crédits : NASA, ESA, CSA, STScI, Klaus Pontoppidan (STScI). – Astronomy Picture of the Day (APOD). – [Image sur la page de couverture du livre; image reproduite et légendée sur la page 3 des planches de photos couleur].

Sur la Toile

Astrophysics for Dummies Cheat Sheet
Cynthia Phillips (Planetary Geologist – NASA’s Jet Propulsion Laboratory, JPL)