Astronomie théorique - Theoretical astronomy

L'astronomie théorique est l'utilisation de modèles analytiques et informatiques basés sur des principes de physique et de chimie pour décrire et expliquer les objets astronomiques et les phénomènes astronomiques . Les théoriciens de l'astronomie s'efforcent de créer des modèles théoriques et, à partir des résultats, prédisent les conséquences observationnelles de ces modèles. L'observation d'un phénomène prédit par un modèle permet aux astronomes de choisir entre plusieurs modèles alternatifs ou conflictuels comme étant le mieux à même de décrire les phénomènes.

L' Almageste de Ptolémée , bien qu'un brillant traité d' astronomie théorique combiné à un manuel pratique de calcul, comporte néanmoins de nombreux compromis pour réconcilier des observations discordantes. On suppose généralement que l'astronomie théorique moderne a commencé avec les travaux de Johannes Kepler (1571-1630), en particulier avec les lois de Kepler . L'histoire des aspects descriptifs et théoriques du système solaire s'étend principalement de la fin du XVIe siècle à la fin du XIXe siècle.

L'astronomie théorique repose sur les travaux de l' astronomie d'observation , de l' astrométrie , de l' astrochimie et de l' astrophysique . L'astronomie a été très tôt à adopter des techniques de calcul pour modéliser la formation stellaire et galactique et la mécanique céleste. Du point de vue de l'astronomie théorique, non seulement l'expression mathématique doit être raisonnablement précise, mais elle doit de préférence exister sous une forme qui se prête à une analyse mathématique plus poussée lorsqu'elle est utilisée dans des problèmes spécifiques. La majeure partie de l'astronomie théorique utilise la théorie newtonienne de la gravitation , considérant que les effets de la relativité générale sont faibles pour la plupart des objets célestes. L'astronomie théorique n'essaie pas de prédire la position, la taille et la température de chaque objet dans l' univers , mais s'est dans l'ensemble concentrée sur l'analyse des mouvements apparemment complexes mais périodiques des objets célestes.

Intégrer l'astronomie et la physique

"Contrairement à la croyance généralement tenue par les physiciens de laboratoire, l'astronomie a contribué à la croissance de notre compréhension de la physique." La physique a aidé à élucider les phénomènes astronomiques, et l'astronomie a aidé à élucider les phénomènes physiques :

  1. la découverte de la loi de la gravitation est venue des informations fournies par le mouvement de la Lune et des planètes,
  2. viabilité de la fusion nucléaire telle qu'elle a été démontrée dans le Soleil et les étoiles et encore à reproduire sur terre sous une forme contrôlée.

L'intégration de l'astronomie à la physique implique

Interaction physique Phénomènes astronomiques
Electromagnétisme : observation utilisant le spectre électromagnétique
rayonnement du corps noir rayonnement stellaire
rayonnement synchrotron sources radio et rayons X
diffusion Compton inverse sources de rayons X astronomiques
accélération des particules chargées pulsars et rayons cosmiques
absorption / diffusion poussière interstellaire
Interaction forte et faible : nucléosynthèse dans les étoiles
rayons cosmiques
supernovae
univers primitif
Gravité : mouvement des planètes , des satellites et des étoiles binaires , structure et évolution des étoiles , mouvements à N corps dans les amas d'étoiles et de galaxies , trous noirs et univers en expansion .

Le but de l'astronomie est de comprendre la physique et la chimie du laboratoire qui sont à l'origine des événements cosmiques afin d'enrichir notre compréhension du cosmos et de ces sciences également.

Intégrer l'astronomie et la chimie

L'astrochimie , le chevauchement des disciplines de l' astronomie et de la chimie , est l'étude de l'abondance et des réactions des éléments chimiques et des molécules dans l'espace, et de leur interaction avec le rayonnement. La formation, la composition atomique et chimique, l'évolution et le devenir des nuages ​​de gaz moléculaires présentent un intérêt particulier car c'est à partir de ces nuages ​​que se forment les systèmes solaires.

L'astronomie infrarouge, par exemple, a révélé que le milieu interstellaire contient une suite de composés carbonés complexes en phase gazeuse appelés hydrocarbures aromatiques, souvent abrégés ( HAP ou PAC). Ces molécules composées principalement d'anneaux de carbone fusionnés (soit neutres, soit à l'état ionisé) seraient la classe de composés carbonés la plus courante dans la galaxie. Ils sont également la classe de molécule de carbone la plus courante dans les météorites et dans les poussières cométaires et astéroïdes ( poussière cosmique ). Ces composés, ainsi que les acides aminés, les nucléobases et de nombreux autres composés des météorites, sont porteurs de deutérium ( 2 H) et d' isotopes de carbone, d'azote et d'oxygène très rares sur terre, attestant de leur origine extraterrestre. On pense que les HAP se forment dans des environnements circumstellaires chauds (autour des étoiles géantes rouges riches en carbone en train de mourir ).

La rareté de l'espace interstellaire et interplanétaire entraîne une chimie inhabituelle, car les réactions interdites par la symétrie ne peuvent se produire que sur la plus longue des échelles de temps. Pour cette raison, les molécules et les ions moléculaires instables sur Terre peuvent être très abondants dans l'espace, par exemple l' ion H 3 + . L'astrochimie chevauche l' astrophysique et la physique nucléaire pour caractériser les réactions nucléaires qui se produisent dans les étoiles, les conséquences pour l' évolution stellaire , ainsi que les « générations » stellaires. En effet, les réactions nucléaires dans les étoiles produisent tous les éléments chimiques naturels . Au fur et à mesure que les « générations » stellaires avancent, la masse des éléments nouvellement formés augmente. Une étoile de première génération utilise de l' hydrogène élémentaire (H) comme source de carburant et produit de l' hélium (He). L'hydrogène est l'élément le plus abondant, et c'est le bloc de construction de base pour tous les autres éléments car son noyau n'a qu'un seul proton . L'attraction gravitationnelle vers le centre d'une étoile crée des quantités massives de chaleur et de pression, qui provoquent la fusion nucléaire . Grâce à ce processus de fusion de la masse nucléaire, des éléments plus lourds sont formés. Le lithium , le carbone , l' azote et l' oxygène sont des exemples d'éléments qui se forment lors de la fusion stellaire. Après de nombreuses générations stellaires, des éléments très lourds se forment (par exemple le fer et le plomb ).

Outils de l'astronomie théorique

Les astronomes théoriques utilisent une grande variété d'outils qui incluent des modèles analytiques (par exemple, des polytropes pour approcher les comportements d'une étoile ) et des simulations numériques informatiques . Chacun a des avantages. Les modèles analytiques d'un processus sont généralement meilleurs pour donner un aperçu du cœur de ce qui se passe. Les modèles numériques peuvent révéler l'existence de phénomènes et d'effets qui autrement ne seraient pas visibles.

Les théoriciens de l'astronomie s'efforcent de créer des modèles théoriques et de comprendre les conséquences observationnelles de ces modèles. Cela aide les observateurs à rechercher des données pouvant réfuter un modèle ou à choisir entre plusieurs modèles alternatifs ou conflictuels.

Les théoriciens tentent également de générer ou de modifier des modèles pour prendre en compte de nouvelles données. Conformément à l'approche scientifique générale, en cas d'incohérence, la tendance générale est d'essayer d'apporter des modifications minimales au modèle pour s'adapter aux données. Dans certains cas, une grande quantité de données incohérentes au fil du temps peut conduire à l'abandon total d'un modèle.

Sujets d'astronomie théorique

Les sujets étudiés par les astronomes théoriciens comprennent :

  1. dynamique et évolution stellaire ;
  2. formation de galaxies ;
  3. structure à grande échelle de la matière dans l' Univers ;
  4. origine des rayons cosmiques ;
  5. relativité générale et cosmologie physique , y compris cosmologie des cordes et physique des astroparticules .

La relativité astrophysique sert d'outil pour évaluer les propriétés des structures à grande échelle pour lesquelles la gravitation joue un rôle important dans les phénomènes physiques étudiés et de base pour la physique des trous noirs (astro) et l'étude des ondes gravitationnelles .

Modèles astronomiques

Certaines théories et modèles largement acceptés et étudiés en astronomie, maintenant inclus dans le modèle Lambda-CDM sont le Big Bang , l' inflation cosmique , la matière noire et les théories fondamentales de la physique .

Quelques exemples de ce processus :

Processus physique Outil expérimental Modèle théorique Explique/prédit
Gravitation Radiotélescopes Système auto-gravitatif L'émergence d'un star system
La fusion nucléaire Spectroscopie Évolution stellaire Comment les étoiles brillent et comment les métaux se sont formés
Le Big Bang Télescope spatial Hubble , COBE Univers en expansion Âge de l'univers
Fluctuations quantiques Inflation cosmique Problème de planéité
Effondrement gravitationnel Astronomie aux rayons X Relativité générale Des trous noirs au centre de la galaxie d' Andromède
Cycle CNO en étoiles

Thèmes phares en astronomie théorique

La matière noire et l'énergie noire sont les principaux sujets d'actualité en astronomie, car leur découverte et leur controverse sont nées lors de l'étude des galaxies.

Astrophysique théorique

Parmi les sujets abordés avec les outils de la physique théorique, une attention particulière est souvent accordée aux photosphères stellaires, aux atmosphères stellaires, à l'atmosphère solaire, aux atmosphères planétaires, aux nébuleuses gazeuses, aux étoiles non stationnaires et au milieu interstellaire. Une attention particulière est accordée à la structure interne des étoiles.

Principe d'équivalence faible

L'observation d'un sursaut de neutrinos dans les 3 h du sursaut optique associé de Supernova 1987A dans le Grand Nuage de Magellan (LMC) a permis aux astrophysiciens théoriques de tester que les neutrinos et les photons suivent les mêmes trajectoires dans le champ gravitationnel de la galaxie.

Thermodynamique pour les trous noirs stationnaires

Une forme générale de la première loi de la thermodynamique pour les trous noirs stationnaires peut être dérivée de l'intégrale fonctionnelle microcanonique pour le champ gravitationnel. Les données de frontière

  1. le champ gravitationnel tel que décrit avec un système microcanonique dans une région spatialement finie et
  2. la densité d'états exprimée formellement comme une intégrale fonctionnelle sur les métriques lorentziennes et comme une fonctionnelle des données géométriques aux limites qui sont fixées dans l'action correspondante,

sont les variables thermodynamiques extensives, y compris l'énergie et le moment cinétique du système. Pour le cas plus simple de la mécanique non relativiste, comme on l'observe souvent dans les phénomènes astrophysiques associés à un horizon d'événements de trou noir, la densité d'états peut être exprimée sous la forme d'une intégrale fonctionnelle en temps réel et ensuite utilisée pour déduire l'intégrale fonctionnelle en temps imaginaire de Feynman pour le modèle canonique. fonction de partition.

Astrochimie théorique

Les équations de réaction et les grands réseaux de réaction sont un outil important en astrochimie théorique, en particulier lorsqu'ils sont appliqués à la chimie des grains de gaz du milieu interstellaire. L'astrochimie théorique offre la perspective de pouvoir imposer des contraintes sur l'inventaire des matières organiques pour une livraison exogène à la Terre primitive.

Organiques interstellaires

"Un objectif important de l'astrochimie théorique est d'élucider les substances organiques d'origine interstellaire réelle et d'identifier les précurseurs interstellaires et les voies de réaction possibles pour les molécules résultant d'altérations aqueuses." L'un des moyens d'atteindre cet objectif est l'étude de la matière carbonée telle qu'elle se trouve dans certaines météorites. Les chondrites carbonées (telles que C1 et C2) comprennent des composés organiques tels que des amines et des amides ; alcools, aldéhydes et cétones; hydrocarbures aliphatiques et aromatiques; acides sulfonique et phosphonique; acides aminés, hydroxycarboxyliques et carboxyliques; purines et pyrimidines; et un matériau de type kérogène . Les inventaires organiques des météorites primitives présentent des enrichissements importants et variables en deutérium, carbone 13 ( 13 C) et azote 15 ( 15 N), ce qui est révélateur de leur conservation d'un patrimoine interstellaire.

Chimie dans les comae cométaires

La composition chimique des comètes devrait refléter à la fois les conditions dans la nébuleuse solaire externe, environ 4,5 × 10 9 ayr, et la nature du nuage interstellaire natal à partir duquel le système solaire s'est formé. Alors que les comètes conservent une forte signature de leurs origines interstellaires ultimes, un traitement important doit s'être produit dans la nébuleuse protosolaire. Les premiers modèles de chimie du coma ont montré que des réactions peuvent se produire rapidement dans le coma interne, où les réactions les plus importantes sont les réactions de transfert de protons. De telles réactions peuvent potentiellement cycler le deutérium entre les différentes molécules de coma, modifiant les rapports D/H initiaux libérés par la glace nucléaire et nécessitant la construction de modèles précis de la chimie du deutérium cométaire, de sorte que les observations de coma en phase gazeuse puissent être extrapolées en toute sécurité pour donner rapports D/H nucléaires.

Astronomie chimique théorique

Alors que les lignes de compréhension conceptuelle entre l'astrochimie théorique et l'astronomie chimique théorique deviennent souvent floues de sorte que les objectifs et les outils sont les mêmes, il existe des différences subtiles entre les deux sciences. La chimie théorique appliquée à l'astronomie cherche par exemple à trouver de nouvelles façons d'observer les produits chimiques dans les objets célestes. Cela conduit souvent l'astrochimie théorique à chercher de nouvelles façons de décrire ou d'expliquer ces mêmes observations.

Spectroscopie astronomique

La nouvelle ère de l'astronomie chimique a dû attendre l'énoncé clair des principes chimiques de la spectroscopie et de la théorie applicable.

Chimie de la condensation des poussières

La radioactivité des supernovas domine les courbes de lumière et la chimie de la condensation des poussières est également dominée par la radioactivité. La poussière est généralement soit du carbone, soit des oxydes selon ce qui est le plus abondant, mais les électrons de Compton dissocient la molécule de CO en un mois environ. La nouvelle astronomie chimique des solides de supernova dépend de la radioactivité de la supernova :

  1. la radiogenèse du 44 Ca à partir de la désintégration du 44 Ti après condensation du carbone établit leur source de supernova,
  2. leur opacité suffit à décaler les raies d'émission vers le bleu après 500 j et émet une luminosité infrarouge importante,
  3. des taux cinétiques parallèles déterminent les traces d'isotopes dans les graphites de supernova météoritique,
  4. la chimie est cinétique plutôt que due à l'équilibre thermique et
  5. est rendue possible par la radiodésactivation du piège à CO pour le carbone.

Astronomie physique théorique

Comme l'astronomie chimique théorique, les lignes de compréhension conceptuelle entre l'astrophysique théorique et l'astronomie physique théorique sont souvent floues, mais, encore une fois, il existe des différences subtiles entre ces deux sciences. La physique théorique appliquée à l'astronomie cherche à trouver de nouvelles façons d'observer les phénomènes physiques dans les objets célestes et ce qu'il faut rechercher, par exemple. Cela conduit souvent l'astrophysique théorique à chercher de nouvelles façons de décrire ou d'expliquer ces mêmes observations, avec, espérons-le, une convergence pour améliorer notre compréhension de l'environnement local de la Terre et de l' Univers physique .

Interaction faible et double désintégration bêta nucléaire

Les éléments de la matrice nucléaire des opérateurs pertinents extraits des données et d'un modèle en coquille et des approximations théoriques à la fois pour les modes de désintégration à deux neutrinos et sans neutrinos sont utilisés pour expliquer les aspects d'interaction faible et de structure nucléaire de la double désintégration bêta nucléaire.

Isotopes riches en neutrons

De nouveaux isotopes riches en neutrons, 34 Ne, 37 Na et 43 Si, ont été produits pour la première fois sans ambiguïté, et des preuves convaincantes de l'instabilité des particules de trois autres, 33 Ne, 36 Na et 39 Mg ont été obtenues. Ces résultats expérimentaux se comparent aux prédictions théoriques récentes.

Théorie du chronométrage astronomique

Jusqu'à récemment, toutes les unités de temps qui nous paraissent naturelles sont causées par des phénomènes astronomiques :

  1. L'orbite de la Terre autour du Soleil => l'année, et les saisons,
  2. L'orbite de la Lune autour de la Terre => le mois,
  3. La rotation de la Terre et la succession de luminosité et d'obscurité => le jour (et la nuit).

La haute précision semble problématique :

  1. des ambiguïtés surgissent dans la définition exacte d'une rotation ou d'une révolution,
  2. certains processus astronomiques sont inégaux et irréguliers, tels que la non-commensurabilité de l'année, du mois et du jour,
  3. il existe une multitude d'échelles de temps et de calendriers pour résoudre les deux premiers problèmes.

Certaines de ces échelles de temps standard sont le temps sidéral , le temps solaire et le temps universel .

Temps atomique

Précision historique des horloges atomiques du NIST .

Du Systeme Internationale (SI) vient le second tel que défini par la durée de 9 192 631 770 cycles d'une transition de structure hyperfine particulière dans l'état fondamental du césium-133 ( 133 Cs). Pour une utilisation pratique, il faut un appareil qui tente de produire la ou les secondes SI, comme une horloge atomique . Mais toutes ces horloges ne sont pas d'accord. La moyenne pondérée de nombreuses horloges réparties sur toute la Terre définit le Temps Atomique International ; c'est-à-dire le temps atomique TAI. D'après la théorie générale de la relativité, le temps mesuré dépend de l'altitude sur terre et de la vitesse spatiale de l'horloge, de sorte que TAI fait référence à un emplacement au niveau de la mer qui tourne avec la Terre.

Le temps des éphémérides

La rotation de la Terre étant irrégulière, toute échelle de temps dérivée de celle-ci, telle que le temps moyen de Greenwich, a conduit à des problèmes récurrents dans la prédiction des éphémérides pour les positions de la Lune , du Soleil , des planètes et de leurs satellites naturels . En 1976, l' Union astronomique internationale (UAI) a décidé que la base théorique du temps des éphémérides (ET) était totalement non relativiste et, par conséquent, à partir de 1984, le temps des éphémérides serait remplacé par deux autres échelles de temps avec prise en compte des corrections relativistes. Leurs noms, attribués en 1979, soulignaient leur nature ou leur origine dynamique, le temps dynamique barycentrique (TDB) et le temps dynamique terrestre (TDT). Les deux ont été définis pour la continuité avec ET et étaient basés sur ce qui était devenu la seconde SI standard, qui à son tour avait été dérivée de la seconde mesurée de ET.

Au cours de la période 1991-2006, les échelles de temps TDB et TDT ont été à la fois redéfinies et remplacées, en raison de difficultés ou d'incohérences dans leurs définitions originales. Les échelles de temps relativistes fondamentales actuelles sont le temps de coordonnées géocentriques (TCG) et le temps de coordonnées barycentriques (TCB). Les deux ont des taux qui sont basés sur la seconde SI dans des cadres de référence respectifs (et hypothétiquement en dehors du puits de gravité pertinent), mais en raison d'effets relativistes, leurs taux apparaîtraient légèrement plus rapides lorsqu'ils sont observés à la surface de la Terre, et divergeraient donc des valeurs locales. Échelles de temps terrestres utilisant la seconde SI à la surface de la Terre.

Les échelles de temps IAU actuellement définies incluent également le temps terrestre (TT) (remplaçant le TDT, et maintenant défini comme une remise à l'échelle du TCG, choisi pour donner au TT un taux qui correspond à la seconde SI lorsqu'il est observé à la surface de la Terre), et une redéfinition Le temps dynamique barycentrique (TDB), une remise à l'échelle du TCB pour donner au TDB un taux qui correspond à la seconde SI à la surface de la Terre.

Chronométrage extraterrestre

Échelle de temps dynamique stellaire

Pour une étoile , l'échelle de temps dynamique est définie comme le temps qu'il faudrait à une particule d'essai libérée à la surface pour tomber sous le potentiel de l' étoile jusqu'au point central, si les forces de pression étaient négligeables. En d'autres termes, l'échelle de temps dynamique mesure le temps qu'il faudrait à une certaine étoile pour s'effondrer en l'absence de toute pression interne . Par une manipulation appropriée des équations de la structure stellaire, cela peut être trouvé

où R est le rayon de l'étoile, G est la constante gravitationnelle , M est la masse de l'étoile et v est la vitesse d'échappement . À titre d'exemple, l' échelle de temps dynamique du Soleil est d'environ 1133 secondes. Notez que le temps réel qu'il faudrait à une étoile comme le Soleil pour s'effondrer est plus long car la pression interne est présente.

Le mode oscillatoire « fondamental » d'une étoile se situera approximativement à l'échelle de temps dynamique. Des oscillations à cette fréquence sont observées dans les variables Céphéides .

Théorie de la navigation astronomique

Sur Terre

Les caractéristiques de base de la navigation astronomique appliquée sont

  1. utilisable dans tous les domaines de la navigation autour de la terre,
  2. applicable de manière autonome (ne dépend pas des autres – personnes ou états) et passivement (n'émet pas d'énergie),
  3. usage conditionnel via visibilité optique (de l'horizon et des corps célestes), ou état de nébulosité,
  4. mesure de précision, le sextant est de 0,1', l'altitude et la position sont comprises entre 1,5' et 3,0'.
  5. la détermination temporelle prend quelques minutes (en utilisant l'équipement le plus moderne) et ≤ 30 min (en utilisant l'équipement classique).

La supériorité des systèmes de navigation par satellite sur la navigation astronomique est aujourd'hui indéniable, notamment avec le développement et l'utilisation du GPS/NAVSTAR. Ce système mondial de satellites

  1. permet un positionnement tridimensionnel automatisé à tout moment,
  2. détermine automatiquement la position en continu (toutes les secondes ou même plus souvent),
  3. détermine la position indépendamment des conditions météorologiques (visibilité et nébulosité),
  4. détermine la position en temps réel à quelques mètres (deux fréquences porteuses) et 100 m (récepteurs commerciaux modestes), soit deux à trois ordres de grandeur mieux que par observation astronomique,
  5. est simple même sans connaissances spécialisées,
  6. est relativement bon marché, comparable à un équipement de navigation astronomique, et
  7. permet l'incorporation dans des systèmes intégrés et automatisés de contrôle et de direction des navires. L'utilisation de la navigation astronomique ou céleste est en train de disparaître de la surface et sous ou au-dessus de la surface de la terre.

L'astronomie géodésique est l'application de méthodes astronomiques dans des réseaux et des projets techniques de géodésie pour

Les algorithmes astronomiques sont les algorithmes utilisés pour calculer les éphémérides , les calendriers et les positions (comme dans la navigation céleste ou la navigation par satellite ).

De nombreux calculs astronomiques et de navigation utilisent la figure de la Terre comme surface représentant la Terre.

L' International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS), anciennement International Earth Rotation Service, est l'organisme responsable du maintien des normes mondiales de temps et de référentiel , notamment par le biais de ses groupes Paramètres d'orientation de la Terre (EOP) et Système international de référence céleste (ICRS). .

Espace profond

Le Deep Space Network , ou DSN , est un réseau international de grandes antennes et d'installations de communication qui prend en charge les missions d' engins spatiaux interplanétaires et les observations d' astronomie radio et radar pour l'exploration du système solaire et de l' univers . Le réseau prend également en charge certaines missions en orbite terrestre. DSN fait partie du Jet Propulsion Laboratory (JPL) de la NASA .

A bord d'un véhicule exploratoire

Un observateur devient un explorateur de l'espace lointain en s'échappant de l'orbite terrestre. Alors que le Deep Space Network maintient la communication et permet le téléchargement de données à partir d'un navire d'exploration, tout sondage local effectué par des capteurs ou des systèmes actifs à bord nécessite généralement une navigation astronomique, car le réseau de satellites englobant pour assurer un positionnement précis est absent.

Voir également

Les références

Liens externes