La Terre dans l'Univers
Cours complet · enseignement scientifique (première), chapitre 10 · première, enseignement scientifique
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10.1 Introduction : où sommes-nous, et pourquoi y a-t-il de l'eau liquide
ici ?
Sortez la nuit et regardez : le ciel tourne. Les étoiles se lèvent à l'est, se couchent à l'ouest, et le Soleil fait de même. L'évidence est écrasante — nous sommes immobiles, et l'Univers tourne autour de nous.
Cette évidence est fausse. Il a fallu deux mille ans, une lunette, un procès et plusieurs générations d'astronomes pour la défaire. Le passage du géocentrisme à l'héliocentrisme est, avec la forme de la Terre et son âge, la troisième grande controverse de ce thème — et de loin la plus violente, parce qu'elle touchait à la place de l'être humain dans le monde.
Le chapitre pose ensuite une seconde question, contemporaine celle-là. La Terre n'est plus le centre de rien : c'est une planète parmi des milliers de milliards. Et pourtant elle a quelque chose que nous n'avons encore trouvé nulle part ailleurs, de l'eau liquide en abondance à sa surface. Pourquoi ici ? Cela tient à trois nombres : la puissance rayonnée par le Soleil, la distance qui nous en sépare, et la masse de la Terre. Changez-en un, et l'eau part — en vapeur ou en glace.
Ce chapitre est bâti sur trois questions dont l'enchaînement n'est pas arbitraire.
Comment la Terre bouge-t-elle ? On y verra qu'un mouvement n'existe pas en soi : il n'existe que par rapport à quelque chose. Toute la controverse géocentrisme-héliocentrisme tient dans ce mot, référentiel.
Comment la Lune nous apparaît-elle ? On y verra qu'une géométrie simple — une sphère éclairée d'un côté, vue sous des angles variables — explique entièrement un phénomène qui a nourri d'innombrables croyances.
Pourquoi de l'eau liquide ici ? On y verra que la question, posée aujourd'hui aux milliers de planètes découvertes autour d'autres étoiles, revient en boomerang vers la nôtre : l'eau douce accessible y est une ressource minuscule, et sa gestion, un enjeu majeur.
10.2 Le mouvement de la Terre autour du Soleil
10.2.1 Un mouvement n'existe que dans un référentiel
Un référentiel est le corps de référence par rapport auquel on décrit un mouvement. Changer de référentiel change la description du mouvement, sans rien changer aux phénomènes eux-mêmes.
- Le référentiel terrestre est lié au sol. C'est celui de la vie quotidienne.
- Le référentiel géocentrique est centré sur la Terre, mais ses axes pointent vers des étoiles lointaines : il ne tourne donc pas avec la Terre. C'est le bon cadre pour décrire le mouvement de la Lune et des satellites.
- Le référentiel héliocentrique est centré sur le Soleil, avec des axes pointant vers des étoiles lointaines. C'est le bon cadre pour décrire le mouvement des planètes.
Un passager assis dans un train dit : « je suis immobile, le paysage défile ». Un observateur sur le quai dit : « le passager file à kmh ». Aucun des deux ne se trompe. Ils ne parlent simplement pas dans le même référentiel, et il serait absurde de leur demander lequel est « vraiment » immobile.
Il en va exactement de même pour la Terre et le Soleil. Dans le référentiel terrestre, le Soleil tourne autour de nous : c'est ce que nous voyons, et c'est vrai. Dans le référentiel héliocentrique, la Terre tourne autour du Soleil.
Si les deux descriptions sont légitimes, pourquoi dit-on que le géocentrisme est faux ? Parce que la question n'est pas « qui tourne ? » mais « quelle description rend le mieux compte des faits, avec le moins d'artifices ? ».
Dans le référentiel héliocentrique, les planètes décrivent des trajectoires simples — des cercles, presque — et leurs mouvements apparents s'expliquent tous. Dans le référentiel géocentrique, il faut ajouter épicycle sur épicycle pour sauver les apparences, sans jamais expliquer pourquoi ces cercles-là. Et surtout : depuis Newton, on sait qu'il n'y a qu'un seul référentiel où les lois de la mécanique prennent leur forme la plus simple, et c'est celui qui est lié au corps le plus massif — le Soleil, qui contient de la masse du système solaire. Le débat ne porte donc pas sur le point de vue, mais sur les lois.
10.2.2 Une trajectoire quasi circulaire
Observée dans un référentiel fixe par rapport aux étoiles, la Terre parcourt une trajectoire quasi circulaire autour du Soleil.
« Quasi » n'est pas une précaution de style. La trajectoire est en toute rigueur une ellipse, mais tellement peu allongée qu'un dessin à l'échelle est indiscernable d'un cercle : la distance Terre-Soleil varie de km au début de janvier à km au début de juillet, soit d'écart.
(IIe siècle) : la Terre est immobile au centre, et les allers-retours apparents des planètes sont produits par des épicycles. À droite, celui de Copernic () : le Soleil est au centre, la Terre est une planète, et les allers-retours s'expliquent sans aucun cercle supplémentaire — ils viennent de ce que la Terre dépasse Mars sur son orbite intérieure.</div>
La Terre parcourt en un an la circonférence de son orbite : Une année vaut s. D'où Trente kilomètres par seconde : cent sept mille kilomètres à l'heure. Nous ne le sentons pas, parce que rien autour de nous ne reste en arrière — c'est très exactement l'argument qu'opposaient les adversaires de Copernic, et c'est Galilée qui y répondra le premier.
La Terre est plus proche du Soleil début janvier, en plein hiver de l'hémisphère nord. Les saisons ne viennent donc pas de la distance — l'écart de est bien trop faible, et il donnerait de toute façon des saisons identiques dans les deux hémisphères, ce qui n'est pas le cas.
Elles viennent de l'inclinaison de l'axe de rotation de la Terre, par rapport à la perpendiculaire au plan de son orbite. En été, l'hémisphère considéré est incliné vers le Soleil : les rayons arrivent moins obliquement, la même puissance se répartit sur une surface plus petite, et les journées sont plus longues. C'est une erreur extrêmement répandue, y compris chez des adultes diplômés ; elle mérite d'être corrigée une fois pour toutes.
10.3 La grande controverse : du géocentrisme à l'héliocentrisme
Le passage d'une conception géocentrique à une conception héliocentrique constitue l'une des controverses majeures de l'histoire des sciences.
Elle est majeure par sa durée — près de deux mille ans entre Aristarque et Newton —, par la qualité des arguments échangés des deux côtés, et par ses conséquences hors de la science. Elle est aussi majeure par ce qu'elle enseigne : le camp qui avait tort disposait, pendant très longtemps, des meilleurs arguments observationnels.
10.3.1 Le système géocentrique n'était pas une sottise
Il faut d'abord rendre justice à Ptolémée. Son système, exposé au IIe siècle dans l'Almageste, n'est pas une croyance naïve : c'est un modèle mathématique sophistiqué qui prédit correctement les positions des astres, à quelques minutes d'arc près, et cela pendant quatorze siècles. C'est avec lui qu'on a établi les calendriers et navigué.
Il s'appuyait de plus sur des arguments physiques sérieux, tirés de la physique d'Aristote : si la Terre tournait, un objet lâché du haut d'une tour devrait retomber à l'ouest de son point de départ ; les oiseaux seraient emportés ; un vent permanent balaierait le sol. Aucun de ces effets n'est observé. Réfuter ces objections exigeait une physique nouvelle — celle de l'inertie —, que Galilée puis Newton fourniront.
Vers , l'astronome grec Aristarque de Samos avait déjà proposé de placer le Soleil au centre. Il avait même tenté de mesurer les distances relatives à la Lune et au Soleil, et conclu que le Soleil était bien plus gros que la Terre — d'où l'idée qu'il était plus naturel de faire tourner le petit autour du grand. Son idée fut connue, discutée, et rejetée : elle prédisait une parallaxe stellaire que personne ne voyait. Le rejet était donc rationnel, et il était faux.
Une bonne idée peut être écartée pour de bonnes raisons. C'est un cas de figure que l'histoire des sciences rencontre souvent, et qui devrait rendre modeste quant à notre capacité à reconnaître la vérité sur-le-champ.
10.3.2 Copernic, Tycho, Kepler
— Copernic. Nicolas Copernic publie, l'année de sa mort, Des révolutions des sphères célestes. Il place le Soleil au centre et fait tourner la Terre sur elle-même en un jour et autour du Soleil en un an. L'ouvrage est d'abord reçu comme un artifice de calcul commode ; il ne fait pas scandale immédiatement.
L'argument le plus fort de Copernic n'est pas la précision — son système n'est pas plus précis que celui de Ptolémée — mais l'explication. Le mouvement rétrograde de Mars, qui semble reculer dans le ciel pendant quelques semaines chaque année, devient une simple conséquence du dépassement de Mars par la Terre, plus rapide sur une orbite intérieure. Chez Ptolémée, il fallait un épicycle par planète, sans qu'on sache pourquoi ; chez Copernic, il n'en faut aucun.
- — Tycho Brahe. L'astronome danois construit les meilleurs instruments d'avant la lunette et accumule, pendant vingt ans, des mesures d'une précision inégalée. Il ne se rallie pourtant pas à Copernic : ne détectant aucune parallaxe stellaire, il propose un système mixte où les planètes tournent autour du Soleil, lequel tourne autour de la Terre immobile. Son objection est correcte, sa conclusion est fausse — et ses données permettront de le réfuter.
- — Kepler. Héritier des observations de Tycho, Johannes Kepler s'acharne pendant des années sur l'orbite de Mars. Elle refuse obstinément le cercle, à huit minutes d'arc près. Kepler prend ces huit minutes au sérieux — c'est là son coup de génie — et finit par abandonner deux mille ans de cercles : les planètes décrivent des ellipses dont le Soleil occupe un foyer. Il énonce en outre que le rayon Soleil-planète balaie des aires égales en des temps égaux, et que le carré de la période est proportionnel au cube du demi grand axe.
Huit minutes d'arc, c'est un quart du diamètre apparent de la Lune : un écart qu'aucun astronome avant Tycho n'aurait pu détecter, et que tous les autres auraient attribué à une imperfection de mesure. Kepler écrit lui-même que ce sont ces huit minutes qui ont ouvert la voie à la réforme de l'astronomie.
C'est un des plus beaux exemples de ce qu'apporte une amélioration de la précision : un désaccord qui était invisible devient un fait, et un fait qui ne rentre pas dans la théorie force à la changer. Toute l'histoire de la physique est faite de décimales que l'on a refusé de négliger.
10.3.3 Galilée : la lunette change tout
En , Galilée pointe vers le ciel un instrument nouveau, la lunette. En quelques mois, il fait des observations qui ruinent une à une les évidences anciennes, et il les publie en mars dans le Sidereus Nuncius.
- La Lune n'est pas une sphère parfaite. Elle a des montagnes, des cratères, des ombres qui s'allongent. Le ciel n'est donc pas fait d'une matière incorruptible différente de la nôtre.
- Jupiter a quatre satellites (janvier ). Il existe donc au moins un centre de rotation autre que la Terre — et une planète peut se déplacer sans « perdre » ses satellites, ce qui répond à l'objection selon laquelle la Lune serait abandonnée par une Terre en mouvement.
- La Voie lactée est faite d'étoiles innombrables. L'Univers est bien plus vaste qu'on ne le croyait — ce qui rend soudain plausible que les étoiles soient assez loin pour que leur parallaxe échappe à la mesure.
- Vénus présente toutes les phases (fin ). C'est l'argument décisif, et il mérite un examen à part.
théories. Les deux modèles ne prédisent pas la même chose ; il suffit donc de regarder. C'est le type même de l'expérience cruciale — encore fallait-il disposer de la lunette pour la faire.</div>
Galilée est condamné par l'Inquisition en et contraint d'abjurer ; il finira ses jours en résidence surveillée. L'épisode est souvent présenté comme l'affrontement d'un savant et d'une croyance. La réalité est plus complexe et, pour notre propos, plus instructive.
D'une part, l'héliocentrisme n'était pas encore démontré en . Les phases de Vénus réfutent Ptolémée, mais pas le système mixte de Tycho Brahe, qui les prédit aussi bien. Il manquait la preuve directe du mouvement de la Terre — elle ne viendra qu'avec l'aberration de la lumière (Bradley, ) et la parallaxe (Bessel, ).
D'autre part, la condamnation ne portait pas seulement sur l'astronomie : elle portait sur le droit d'un savant à interpréter les Écritures et à enseigner comme vrai ce que l'Église lui demandait de présenter comme hypothèse. Ce qui se jouait était l'autonomie de la démarche scientifique.
Enfin, on rappellera que Giordano Bruno, brûlé en , l'a été pour un ensemble de thèses théologiques, et non pour son adhésion au copernicianisme : en faire un martyr de la science est une simplification que les historiens rejettent. Sur l'histoire des sciences aussi, il faut vérifier ses sources.
10.3.4 L'objection sérieuse : la parallaxe manquante
De toutes les objections opposées à Copernic, une seule était vraiment redoutable, et elle était de nature observationnelle.
Si la Terre se déplace de millions de kilomètres entre janvier et juillet, alors les étoiles proches doivent sembler osciller devant les étoiles lointaines, exactement comme votre pouce tendu semble sauter devant le fond de la pièce quand vous fermez alternativement un œil puis l'autre. Cette oscillation s'appelle la parallaxe. Personne ne la voyait.
l'étoile est lointaine ; il est nul si la Terre ne bouge pas. Ne pas le mesurer laissait donc deux explications possibles : ou bien la Terre est immobile, ou bien les étoiles sont inimaginablement loin. C'est la seconde qui est vraie, mais rien, avant , ne permettait de le prouver.</div>
Le mouvement de la Terre a fini par être établi directement, par deux mesures.
- — l'aberration de la lumière. James Bradley découvre que toutes les étoiles décrivent au cours de l'année une petite ellipse d'environ secondes d'arc de rayon. L'effet, analogue à celui de la pluie qui semble tomber en biais quand on court, ne s'explique que si l'observateur se déplace. C'est la première preuve directe du mouvement de la Terre — et elle arrive près d'un siècle après la mort de Galilée.
- — la parallaxe enfin mesurée. Friedrich Bessel obtient, pour l'étoile du Cygne, une parallaxe de seconde d'arc. La distance qui s'en déduit est d'environ dix années-lumière. L'objection de Tycho reçoit sa réponse : les étoiles sont inimaginablement loin.
Méthode : Interpréter des documents présentant des arguments historiques
pour discuter la théorie héliocentrique</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text">
- Identifier le modèle défendu : géocentrique (Ptolémée), mixte (Tycho Brahe) ou héliocentrique (Copernic, Kepler).
- Classer l'argument : est-il observationnel (les phases de Vénus, la parallaxe), physique (les corps qui tombent au pied de la tour), esthétique ou théologique (le ciel doit être parfait, la Terre doit être au centre), ou d'économie (le modèle demande moins de cercles) ?
- Se demander ce que l'argument réfute exactement. Les phases de Vénus réfutent Ptolémée, mais pas Tycho Brahe. Le mouvement rétrograde s'explique dans les trois modèles. Un argument ne vaut que par ce qu'il élimine.
- Dater. Un argument de ne dispose pas de la mécanique de Newton, publiée en . Ne jamais faire reproche à un auteur d'ignorer ce qu'on ne pouvait pas savoir.
- Repérer les arguments non scientifiques pour ce qu'ils sont, sans les confondre avec les autres : une convenance ou une lecture de texte ne se discute pas au même titre qu'une mesure.
- Conclure sur le statut du débat au moment considéré : question ouverte, modèle affaibli, modèle réfuté.
Rotation : voir la partie mathématique du livre pour la description d'un mouvement circulaire.
10.4 La Lune
10.4.1 Un mouvement quasi circulaire
Observée dans un référentiel géocentrique, la Lune tourne autour de la Terre sur une trajectoire quasi circulaire. Elle présente un aspect qui varie au cours de ce mouvement (phases).
Distance moyenne : km, soit soixante fois le rayon terrestre. Période de révolution par rapport aux étoiles : jours. Rayon de la Lune : km, environ un quart de celui de la Terre.
La période sidérale ( jours) est la durée d'un tour complet de la Lune autour de la Terre, repérée par rapport aux étoiles.
La période synodique ( jours) est la durée qui sépare deux pleines lunes. Elle est plus longue, parce que pendant ce temps la Terre a avancé sur son orbite : la Lune doit tourner un peu plus d'un tour pour se retrouver dans la même position par rapport au Soleil. C'est cette période, celle des phases, qui a donné le mois des calendriers lunaires.
10.4.2 Les phases
Le mécanisme est d'une simplicité totale, et pourtant il résiste : chaque année, des élèves — et beaucoup d'adultes — attribuent les phases à l'ombre de la Terre. Ce n'est pas cela. L'ombre de la Terre sur la Lune, c'est l'éclipse de Lune, un évènement rare. Les phases, elles, se produisent tous les mois et ne doivent rien à la Terre.
La moitié de la Lune est toujours éclairée par le Soleil — celle qui lui fait face. Ce qui change, c'est la portion de cette moitié éclairée que nous voyons depuis la Terre, et cela dépend uniquement de la position de la Lune sur son orbite.
la Lune telle qu'elle est : toujours à moitié éclairée, du côté du Soleil. Les grands disques, à l'extérieur, montrent ce que l'on voit depuis la Terre. La Lune tourne dans le sens indiqué par la flèche ; entre deux pleines lunes, il s'écoule jours.</div>
Méthode : Interpréter l'aspect de la Lune en fonction de sa position
- Placer le Soleil et tracer la direction de sa lumière. La moitié éclairée de la Lune est toujours celle qui lui fait face : la moitié éclairée ne dépend pas de la position de la Terre.
- Placer la Lune sur son orbite et repérer la direction Terre-Lune.
- Croiser les deux. La partie visible et éclairée est l'intersection de la moitié tournée vers la Terre et de la moitié tournée vers le Soleil.
- Nommer la phase à l'aide des trois repères : Lune entre la Terre et le Soleil nouvelle lune ; Terre entre la Lune et le Soleil pleine lune ; angle droit quartier.
- Distinguer croissant et décroissant. Un moyen mnémotechnique français : la Lune ment. Quand elle a la forme d'un p (bosse à droite), elle est premier quartier, donc croissante ; quand elle a la forme d'un d (bosse à gauche), elle est dernier quartier, donc décroissante. Attention : ce moyen ne vaut que pour l'hémisphère nord.
- Vérifier par l'heure d'observation. La pleine lune se lève au coucher du Soleil et se couche à son lever ; la nouvelle lune est dans le ciel en plein jour, donc invisible ; le premier quartier est visible en début de soirée. Une phase incompatible avec l'heure indiquée signale une erreur.
Géométrie : cercle, sphère et disque ; rotation : voir la partie mathématique du livre.
Si l'orbite de la Lune était exactement dans le plan de l'orbite terrestre, il y aurait une éclipse de Soleil à chaque nouvelle lune et une éclipse de Lune à chaque pleine lune. Ce n'est pas le cas : le plan de l'orbite lunaire est incliné d'environ sur celui de l'orbite terrestre. La plupart du temps, la Lune passe donc un peu au-dessus ou un peu en dessous de l'alignement. Les éclipses ne se produisent que lorsque la pleine ou la nouvelle lune coïncide avec le passage de la Lune dans le plan de l'écliptique : quelques fois par an seulement.
10.4.3 Toujours la même face
La Lune tourne également sur elle-même et présente toujours la même face à la Terre.
C'est un fait que l'on énonce souvent de travers. Beaucoup croient que « la Lune ne tourne pas sur elle-même ». C'est l'inverse : si elle ne tournait pas, nous verrions toutes ses faces. Elle nous montre toujours la même précisément parce qu'elle fait un tour sur elle-même exactement pendant qu'elle fait un tour autour de la Terre. Cette coïncidence porte un nom : la rotation synchrone.
lunaire. À gauche, la Lune tourne sur elle-même en un tour d'orbite : la tache reste face à la Terre. À droite, la Lune ne tourne pas : la tache pointe toujours dans la même direction absolue, et un observateur terrestre verrait tour à tour toutes ses faces.</div>
Cette synchronisation n'est pas un hasard. Elle résulte des forces de marée : la Terre déforme légèrement la Lune, et cette déformation, en frottant, a freiné sa rotation jusqu'à ce que les deux périodes s'égalisent. Le phénomène est général — la plupart des grands satellites du système solaire sont dans le même état.
Deux précisions valent d'être faites.
Premièrement, la face cachée reçoit autant de lumière que l'autre : elle est en plein jour au moment de la nouvelle lune. « Face cachée » veut dire cachée à nous, pas privée de Soleil.
Deuxièmement, nous en voyons un peu plus que la moitié. L'orbite lunaire étant légèrement elliptique et son axe légèrement incliné, la Lune semble se balancer doucement : c'est la libration, qui découvre tour à tour un peu de chaque bord. Au total, de la surface lunaire est observable depuis la Terre. Le reste est resté totalement inconnu jusqu'au octobre , date à laquelle la sonde soviétique Luna en a envoyé les premières images.
On prête à la Lune une influence sur les naissances, la pousse des cheveux, les récoltes, l'humeur ou la criminalité. Ces croyances sont anciennes et tenaces ; elles méritent qu'on explique pourquoi elles ne tiennent pas.
L'argument des marées ne s'applique pas. La Lune soulève bien les océans, mais l'effet de marée dépend de la taille de l'objet : il est proportionnel à sa dimension. Sur un océan de dix mille kilomètres, il fait un mètre ; sur un corps humain de deux mètres, il est des millions de fois plus faible que celui qu'exerce un mur voisin.
Les données ne montrent rien. Les grandes études statistiques portant sur des millions de naissances ne trouvent aucune corrélation entre la phase lunaire et le nombre d'accouchements. La coïncidence approximative entre le cycle menstruel ( jours en moyenne) et le mois lunaire ( jours) est réelle, mais elle ne prouve rien : chez d'autres primates, le cycle est très différent, et il n'existe aucun mécanisme identifié.
Pourquoi la croyance persiste-t-elle ? Par un biais de mémoire bien documenté : on remarque et on retient la nuit agitée qui coïncide avec la pleine lune, on oublie les autres. C'est exactement pour se prémunir de ce biais que la science compte tous les cas, y compris ceux qui ne confirment rien.
10.5 Pourquoi de l'eau liquide ici ?
10.5.1 Trois conditions
La puissance lumineuse émise par le Soleil et la distance au Soleil associée à la gravité de la Terre permettent à la Terre de conserver de l'eau liquide à sa surface.
Trois grandeurs, donc trois conditions.
- La puissance du Soleil : W. Une étoile beaucoup plus faible ou beaucoup plus intense déplacerait toute la zone où l'eau peut être liquide.
- La distance : km. Elle fixe la puissance reçue par mètre carré, Wm au sommet de l'atmosphère, et donc la température d'équilibre.
- La gravité de la Terre : elle retient l'atmosphère. Sans atmosphère, la pression serait nulle et l'eau liquide impossible — elle passerait directement de la glace à la vapeur. C'est le cas sur la Lune, trop peu massive pour retenir un gaz, et presque le cas sur Mars.
La puissance reçue par mètre carré varie comme l'inverse du carré de la distance. À la distance de Vénus ( UA) : soit presque le double de la Terre. À celle de Mars ( UA) : moins de la moitié.
Vénus a perdu son eau : l'évaporation a saturé son atmosphère de vapeur, gaz à effet de serre puissant, ce qui a encore élevé la température — un emballement qui l'a menée à C au sol. Mars a perdu son atmosphère : trop peu massive, sans champ magnétique protecteur, elle n'a pu la retenir ; sa pression au sol ne vaut plus que six millièmes de la nôtre, et l'eau liquide n'y est pas stable. Les trois planètes ont probablement eu de l'eau ; une seule l'a gardée.
10.5.2 La zone d'habitabilité
La zone d'habitabilité d'une étoile est l'intervalle de distances dans lequel une planète de type terrestre pourrait conserver de l'eau liquide à sa surface. Ses bornes dépendent de la puissance rayonnée par l'étoile — et aussi du modèle d'atmosphère retenu, ce qui explique que les valeurs publiées varient d'un auteur à l'autre.
y est confortablement installée, Vénus est trop près et Mars à la limite extérieure. En bas, celle de TRAPPIST-, une naine rouge découverte en avec sept planètes : l'étoile étant beaucoup moins lumineuse, sa zone d'habitabilité est vingt fois plus proche qu'autour du Soleil, et trois planètes s'y trouvent.</div>
10.5.3 Les exoplanètes
Jusqu'en , aucune planète n'était connue en dehors du système solaire. Cette année-là, Michel Mayor et Didier Queloz annoncent la détection de Pegasi b, une planète géante en orbite autour d'une étoile semblable au Soleil. Ils recevront le prix Nobel de physique en .
Trente ans plus tard, plus de cinq mille exoplanètes sont confirmées, et le catalogue s'allonge chaque mois. Deux méthodes en fournissent l'essentiel, et ni l'une ni l'autre ne consiste à voir la planète.
transit mesure une baisse de luminosité et donne le rayon de la planète ; les vitesses radiales mesurent le balancement de l'étoile et donnent sa masse. Quand les deux s'appliquent à la même planète, on obtient sa masse volumique — et donc on sait si elle est rocheuse ou gazeuse.</div>
Méthode : Étudier des données sur les exoplanètes en lien avec la zone
d'habitabilité</h4><div class="text-gray-700 leading-relaxed font-sans text-xs select-text"> Face à un tableau de données d'exoplanètes, procéder ainsi.
- Repérer les grandeurs disponibles : rayon (en rayons terrestres), masse (en masses terrestres), demi-grand axe, période, et les caractéristiques de l'étoile — c'est de l'étoile que dépend tout le reste.
- Situer la planète par rapport à la zone d'habitabilité de son étoile. Une distance de UA est brûlante autour du Soleil et tempérée autour d'une naine rouge.
- Vérifier qu'il s'agit d'une planète rocheuse. Un rayon inférieur à environ rayon terrestre, ou une masse volumique proche de celle de la Terre, l'indiquent. Une géante gazeuse dans la zone d'habitabilité n'a pas de surface où poser de l'eau.
- Distinguer « dans la zone d'habitabilité » et « habitable ». Le premier est un critère de distance, calculé. Le second suppose une atmosphère, un champ magnétique, une composition, une histoire — dont on ne sait presque rien. La confusion entre les deux est la principale source de titres de presse trompeurs.
- Conclure prudemment : « cette planète se trouve dans la zone d'habitabilité de son étoile, ce qui signifie que de l'eau liquide y serait possible si elle possédait une atmosphère adéquate ».
Proportionnalité, puissances de dix, ordres de grandeur : voir la partie mathématique du livre.
Parmi les découvertes les plus commentées : Proxima Centauri b, annoncée en , en orbite dans la zone d'habitabilité de l'étoile la plus proche du Soleil ( années-lumière) ; et le système TRAPPIST-, annoncé en février , avec sept planètes de taille terrestre dont trois dans la zone d'habitabilité.
Il faut lire ces annonces avec les précautions du savoir-faire ci-dessus. Ces planètes tournent autour de naines rouges, très près de leur étoile : elles sont probablement en rotation synchrone, avec un côté toujours éclairé et l'autre toujours nuit, et elles subissent des éruptions stellaires bien plus violentes que celles du Soleil. « Dans la zone d'habitabilité » ne veut pas dire « habitable », et encore moins « habitée ». Le télescope spatial James-Webb, lancé fin , permet d'y chercher la signature d'une atmosphère : c'est là que la question se joue désormais.
10.6 L'eau sur Terre : abondante et rare
10.6.1 Ce qui est disponible
L'eau sur Terre est inégalement répartie dans l'espace, mais aussi dans les temps. Seule une faible partie des réserves hydriques est directement potable. La gestion des ressources hydriques et leur protection sont un enjeu pour l'humanité.
Le volume total d'eau de la planète vaut km. C'est énorme — et presque entièrement inaccessible.
Chaque barre détaille la fine tranche de droite de la précédente. Entre l'eau douce de surface et le permafrost, une bande étroite représente de l'eau douce. Le résultat est saisissant : l'eau que l'humanité utilise effectivement est une trace dans une trace dans une trace.</div>
Méthode : Décrire la répartition de l'eau douce dans le monde
Une description complète tient en quatre points, et il faut les donner dans cet ordre.
- Salée contre douce. de l'eau de la planète est salée. L'eau douce représente , soit environ km.
- Où est l'eau douce. Les deux tiers () sont pris dans les glaciers et les calottes polaires ; presque tout le reste () est souterrain ; est gelé dans le permafrost ; il ne reste que en surface et dans l'atmosphère.
- Ce qui est réellement accessible. Dans ce dernier quatre-millième, les lacs dominent ; les fleuves et rivières, principale ressource de l'humanité, ne représentent qu'environ km.
- L'inégalité géographique et temporelle. La ressource n'est pas répartie comme les populations : quelques bassins concentrent l'essentiel de l'eau douce de surface, tandis que des régions entières en manquent. Et elle varie dans le temps : moussons, saisons sèches, sécheresses pluriannuelles. Une moyenne annuelle nationale masque des situations de pénurie locale.
Méthode : Estimer le volume d'une réserve d'eau douce
- Assimiler la réserve à une forme simple : pour un lac ou une retenue, un cylindre de base la surface et de hauteur la profondeur moyenne — jamais la profondeur maximale, qui surestimerait beaucoup.
- Homogénéiser les unités avant de multiplier. Une surface en km et une profondeur en mètres donnent un résultat qui n'est ni en km ni en m : convertir d'abord ( km m, donc km m).
- Calculer .
- Contrôler l'ordre de grandeur par comparaison à un repère connu : le lac Léman vaut environ km, le lac Baïkal environ km.
- Traduire en durée d'usage, qui est presque toujours la vraie question : diviser par une consommation annuelle. C'est ce rapport, et non le volume brut, qui dit si la réserve est grande.
Grandeurs et mesures, puissances de dix, proportionnalité.
10.6.2 Le stress hydrique
On parle de stress hydrique lorsque la demande en eau dépasse la ressource disponible sur une période donnée, ou lorsque sa qualité en limite l'usage. Le phénomène ne se réduit pas à la sécheresse : une région bien arrosée peut connaître un stress hydrique si les prélèvements y sont trop importants ou l'eau trop polluée.
Les causes se combinent. La croissance de la population et l'urbanisation concentrent la demande. L'agriculture irriguée en absorbe la plus grande part — de l'ordre de des prélèvements mondiaux d'eau douce. Le changement climatique modifie la répartition des précipitations, accélère la fonte des glaciers qui alimentent de grands fleuves, et intensifie les épisodes extrêmes. La pollution, enfin, retire de la ressource une eau physiquement présente.
Les conséquences sont sanitaires (accès à l'eau potable et à l'assainissement), écologiques (assèchement de zones humides, disparition d'espèces) et politiques (partage des fleuves transfrontaliers). Les leviers d'atténuation existent : réduction des fuites des réseaux, changement des pratiques d'irrigation, réutilisation des eaux usées traitées, protection des zones de captage, dessalement — coûteux en énergie et producteur de saumure.
L'eau ne disparaît pas : elle circule. Le cycle de l'eau est bouclé, et la quantité totale sur Terre est constante à l'échelle humaine. D'où l'idée, très répandue, qu'il ne peut pas y avoir de « manque d'eau ».
L'erreur est de raisonner sur des stocks au lieu de raisonner sur des flux. Ce qui est limité, c'est le débit auquel une ressource se renouvelle en un lieu donné. Une nappe qui se recharge en un siècle et qu'on pompe en dix ans est vidée, même si l'eau prélevée est toujours quelque part sur la planète. Le même raisonnement vaut pour les forêts, les sols et les stocks de poissons : la question n'est jamais « combien y en a-t-il ? », mais « à quelle vitesse cela se reconstitue-t-il, et à quelle vitesse le prélevons-nous ? ».
10.7 Histoire des sciences : d'où vient la Lune ?
Voici une controverse encore vivante il y a un demi-siècle, et qui montre comment des données nouvelles réorganisent un débat.
Trois hypothèses s'affrontaient au XIXe et au début du XXe siècle.
- La fission. La Terre, tournant très vite, aurait expulsé une partie d'elle-même — l'océan Pacifique serait la cicatrice. Séduisante, mais elle demande une vitesse de rotation initiale invraisemblable.
- La capture. La Lune se serait formée ailleurs, puis aurait été capturée au passage. Mais capturer un corps aussi gros sans le disloquer ni le renvoyer est mécaniquement très difficile.
- L'accrétion commune. Terre et Lune se seraient formées côte à côte, à partir du même matériau. Cette hypothèse n'explique pas pourquoi la Lune a un noyau de fer minuscule alors que la Terre en a un énorme.
Les missions Apollo, entre et , rapportent près de kg de roches lunaires. Leur analyse impose deux faits que les trois hypothèses ne peuvent concilier : la Lune est très pauvre en fer et en éléments volatils, et pourtant la composition isotopique de son oxygène est identique à celle de la Terre — bien plus proche que celle de n'importe quelle météorite.
D'où l'hypothèse aujourd'hui dominante, proposée au milieu des années : l'impact géant. Un corps de la taille de Mars, que l'on a baptisé Théia, aurait percuté la Terre primitive. L'énergie de l'impact aurait vaporisé les manteaux — pauvres en fer, puisque le fer était déjà descendu dans les noyaux — et le disque de débris mis en orbite se serait aggloméré pour former la Lune. Le modèle rend compte du déficit en fer, de la pauvreté en volatils, de la similitude isotopique et du moment cinétique du couple Terre-Lune.
L'impact géant n'explique pas tout, et les chercheurs le disent. La similitude isotopique est même trop bonne : les simulations donnent une Lune faite en majorité du matériau de l'impacteur, qui devrait donc porter une signature différente. Plusieurs variantes ont été proposées pour résoudre ce point ; le débat continue.
Il est utile de voir un modèle scientifique dans cet état : largement accepté, capable d'expliquer de nombreux faits, et pourtant assorti d'une difficulté connue que ses partisans ne cachent pas. C'est l'état normal d'une théorie vivante. Un modèle sans aucun problème ouvert est généralement un modèle qu'on a cessé de tester.
10.8 Bilan
Ce qu'il faut savoir
- Observée dans un référentiel fixe par rapport aux étoiles, la Terre parcourt une trajectoire quasi circulaire autour du Soleil : rayon km, période un an, vitesse kms.
- Le passage du géocentrisme à l'héliocentrisme est l'une des controverses majeures de l'histoire des sciences ; elle s'étend d'Aristarque à Newton et se clôt par deux mesures, l'aberration de la lumière () et la parallaxe ().
- Observée dans un référentiel géocentrique, la Lune décrit autour de la Terre une trajectoire quasi circulaire et présente des phases.
- La Lune tourne sur elle-même en exactement une révolution : c'est pourquoi elle montre toujours la même face.
- La puissance rayonnée par le Soleil, la distance Terre-Soleil et la gravité terrestre permettent à la Terre de conserver de l'eau liquide à sa surface.
- L'eau est inégalement répartie dans l'espace et dans le temps ; une part infime des réserves est directement utilisable, et leur gestion est un enjeu majeur.
Ce qu'il faut savoir faire
- Interpréter des documents présentant des arguments historiques pour discuter la théorie héliocentrique, en classant les arguments par nature et en disant ce que chacun réfute.
- Interpréter l'aspect de la Lune en fonction de sa position par rapport à la Terre et au Soleil.
- Étudier des données d'exoplanètes en lien avec la zone d'habitabilité, et distinguer « dans la zone d'habitabilité » de « habitable ».
- Décrire la répartition de l'eau douce dans le monde.
- Estimer le volume d'une réserve d'eau douce à partir de données fournies, et le traduire en durée d'usage.
Quatre nombres à retenir
km, la distance Terre-Soleil. km, la distance Terre-Lune. jours, la lunaison. , la part d'eau douce sur Terre — dont les deux tiers sont pris dans les glaces.
Ce que ce chapitre dit de la science elle-même
Il dit d'abord qu'une question mal posée n'a pas de réponse. « Qui tourne vraiment ? » n'en a pas : un mouvement n'existe que dans un référentiel. La bonne question est « quelle description rend compte des faits avec le moins d'artifices ? », et elle, elle se tranche.
Il dit ensuite que le camp qui a tort peut avoir, longtemps, le meilleur argument. L'absence de parallaxe stellaire était une objection excellente, et il a fallu deux siècles et des instruments cent fois plus précis pour montrer qu'elle reposait sur une hypothèse fausse. Un savant qui rejette une théorie pour une bonne raison n'est pas un obscurantiste.
Il dit aussi qu'une observation nouvelle peut valoir mille arguments. Une lunette braquée sur Vénus pendant quelques mois a fait plus que cinquante ans de discussions — parce qu'elle a mis les deux modèles en désaccord sur un fait observable.
Il dit enfin qu'un mot mal choisi peut faire plus de dégâts qu'une erreur de calcul. « Zone d'habitabilité » signifie « distance où l'eau liquide serait possible » ; les journaux le lisent comme « habitable », et le public comme « habitée ». Savoir dire exactement ce que l'on a mesuré, et rien de plus, est peut-être la compétence scientifique la plus utile de toutes.