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Univers : galaxies, système solaire et éléments chimiques
Les échelles de l’atome à l’Univers en puissances de 10 et la matière lacunaire ; la formation du système solaire, la matière des planètes et l’unité astronomique ; les galaxies, le Big Bang et l’expansion ; les éléments chimiques sur Terre, dans le vivant et dans l’Univers ; leur fabrication dans les étoiles
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De l’atome à l’Univers : échelles et ordres de grandeur
Du noyau d’un atome aux galaxies, les longueurs de l’Univers vont d’environ un millionième de milliardième de mètre à des milliards de milliards de kilomètres. Pour les comparer, on les écrit avec des puissances de 10. Rappel : la matière est faite d’atomes, d’environ 0,1 nm, comme tu l’as vu en 5e (Atomes et molécules) ; les puissances de 10 se travaillent en mathématiques (La notation scientifique).
• Pour comparer des longueurs aussi différentes, on les écrit en mètres avec une puissance de 10 : 10ⁿ s’écrit 1 suivi de n zéros (10³ = 1 000) ; 10⁻ⁿ = 1 ÷ 10ⁿ (10⁻³ = 0,001).
• L’ordre de grandeur d’une longueur a × 10ⁿ m (avec 1 ≤ a < 10) est la puissance de 10 la plus proche : 10ⁿ si a est proche de 1, 10ⁿ⁺¹ si a est proche de 10.
• Pour savoir combien de fois une longueur est plus grande qu’une autre, on divise leurs ordres de grandeur : 10ᵃ ÷ 10ᵇ = 10ᵃ⁻ᵇ (on soustrait les exposants).
• La matière est lacunaire : elle est faite surtout de vide. Le noyau d’un atome est environ 100 000 fois plus petit que l’atome ; dans une galaxie, les étoiles sont séparées par des distances des dizaines de millions de fois plus grandes que leur taille.
Les longueurs de l’Univers placées sur une échelle de puissances de 10 : chaque graduation multiplie la longueur par 10.
| Objet | Longueur | En mètres | Ordre de grandeur |
|---|---|---|---|
| Noyau d’un atome | environ 0,000 001 nm | ≈ 10⁻¹⁵ m | 10⁻¹⁵ m |
| Atome | environ 0,1 nm | 10⁻¹⁰ m | 10⁻¹⁰ m |
| Épaisseur d’un cheveu | environ 0,08 mm | 8 × 10⁻⁵ m | 10⁻⁴ m |
| Être humain | environ 1,7 m | 1,7 m | 10⁰ m = 1 m |
| Terre (diamètre) | 12 756 km | ≈ 1,3 × 10⁷ m | 10⁷ m |
| Soleil (diamètre) | 1,39 million de km | ≈ 1,4 × 10⁹ m | 10⁹ m |
| Distance Terre–Soleil | 150 millions de km | 1,5 × 10¹¹ m | 10¹¹ m |
| Système solaire (orbite de Neptune) | environ 9 milliards de km | ≈ 9 × 10¹² m | 10¹³ m |
| Voie lactée (diamètre) | environ 100 000 années-lumière | ≈ 9,5 × 10²⁰ m | 10²¹ m |
| Univers observable (diamètre) | environ 93 milliards d’années-lumière | ≈ 8,8 × 10²⁶ m | 10²⁷ m |
Écrire un ordre de grandeur. Un cheveu a une épaisseur d’environ 0,08 mm = 0,000 08 m = 8 × 10⁻⁵ m. 8 est proche de 10 : l’ordre de grandeur est 10⁻⁴ m.
Comparer. Soleil (10⁹ m) et Terre (10⁷ m) : 10⁹ ÷ 10⁷ = 10² ; le Soleil est environ cent fois plus grand que la Terre (en valeurs exactes : 1 392 684 ÷ 12 756 ≈ 109).
Avec des exposants négatifs. Atome (10⁻¹⁰ m) et noyau (10⁻¹⁵ m) : 10⁻¹⁰ ÷ 10⁻¹⁵ = 10⁻¹⁰⁺¹⁵ = 10⁵ = 100 000. Si un atome avait la taille d’un stade de 100 m, son noyau mesurerait 100 ÷ 100 000 = 0,001 m, soit 1 mm : un grain de sable au milieu du stade.
Réflexe — je convertis la longueur en mètres, je l’écris a × 10ⁿ, puis je prends la puissance de 10 la plus proche ; pour comparer deux longueurs, je divise : 10ᵃ ÷ 10ᵇ = 10ᵃ⁻ᵇ.
Attention — 10⁻¹⁰ m est bien plus petit que 10⁻³ m : plus l’exposant négatif est grand en valeur, plus la longueur est petite. Et soustraire un exposant négatif revient à ajouter : 10³ ÷ 10⁻² = 10³⁺² = 10⁵, pas 10¹.
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Le système solaire : formation, distances et matière
Le Soleil, ses huit planètes et des milliards de petits corps : de quoi sont-ils faits, et pourquoi Mercure est-elle un caillou alors que Jupiter est une boule de gaz ? Rappel : l’ordre des planètes et leurs deux familles, telluriques et géantes, ont été vus en SVT en 6e et en 5e (La planète Terre, La Terre dans le système solaire). En 4e, on explique leur matière par leur formation.
• Près du Soleil, il faisait trop chaud pour que l’eau, l’ammoniac et le méthane restent solides : seuls les roches et les métaux ont pu s’assembler. Ainsi sont nées les planètes telluriques (Mercure, Vénus, la Terre, Mars), faites surtout d’oxygène, de silicium, de magnésium et de fer.
• Plus loin, au-delà d’une limite située entre Mars et Jupiter (la ligne des glaces), ces composés étaient gelés : les glaces s’ajoutaient aux roches, et des planètes ont grossi assez vite pour devenir très massives et capturer l’hydrogène et l’hélium du nuage. Ce sont les géantes gazeuses (Jupiter, Saturne : surtout hydrogène et hélium) et les géantes de glaces (Uranus, Neptune : beaucoup d’eau, d’ammoniac et de méthane).
• Les petits corps gardent la matière du début : les astéroïdes (roches et métaux, surtout entre Mars et Jupiter) et les comètes (glaces et poussières, venues des confins du système solaire).
• Pour les distances, on utilise l’unité astronomique (ua), distance moyenne de la Terre au Soleil : 1 ua ≈ 150 millions de km = 1,5 × 10⁸ km. Distance en km = distance en ua × 1,5 × 10⁸ ; distance en ua = distance en km ÷ (1,5 × 10⁸).
| Planète | Distance moyenne au Soleil | Matière principale |
|---|---|---|
| Mercure | 0,4 ua | roches et métaux |
| Vénus | 0,7 ua | roches et métaux |
| Terre | 1 ua | roches et métaux |
| Mars | 1,5 ua | roches et métaux |
| Jupiter | 5,2 ua | hydrogène et hélium |
| Saturne | 9,6 ua | hydrogène et hélium |
| Uranus | 19 ua | eau, ammoniac, méthane, avec de l’hydrogène et de l’hélium |
| Neptune | 30 ua | eau, ammoniac, méthane, avec de l’hydrogène et de l’hélium |
De l’ua au km. Uranus est à 19 ua du Soleil : 19 × 1,5 × 10⁸ = 28,5 × 10⁸ = 2,85 × 10⁹ km, près de trois milliards de kilomètres.
Du km à l’ua. Mercure est à 5,8 × 10⁷ km du Soleil : 5,8 × 10⁷ ÷ (1,5 × 10⁸) ≈ 0,39 ua, moins de la moitié de la distance Terre–Soleil.
La matière de Jupiter. Jupiter a une masse d’environ 318 fois celle de la Terre, et elle est pourtant faite surtout des deux gaz les plus légers : formée loin du Soleil, elle est devenue assez massive pour les retenir.
Réflexe — ua → km : je multiplie par 1,5 × 10⁸ ; km → ua : je divise par 1,5 × 10⁸. Pour expliquer la matière d’un astre, je regarde où il s’est formé : près du Soleil, roches et métaux ; loin, glaces et gaz.
Attention — l’unité astronomique ne sert que dans le système solaire : l’étoile la plus proche est déjà à plus de 260 000 ua. Pour les étoiles et les galaxies, on utilise l’année-lumière (1 année-lumière ≈ 63 000 ua).
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Galaxies et histoire de l’Univers
Par une nuit sans lune, loin des villes, une bande blanchâtre traverse le ciel : c’est notre galaxie, vue de l’intérieur. Elle n’est qu’une galaxie parmi des milliards, dans un Univers qui a une histoire.
• Les galaxies se regroupent : la Voie lactée et la galaxie d’Andromède, visible à l’œil nu par une nuit très noire, font partie du Groupe local. L’Univers observable contient 100 à 200 milliards de galaxies.
• Ces distances se comptent en années-lumière : une année-lumière est la distance parcourue par la lumière en un an, environ 9,46 × 10¹² km. Les calculs avec la vitesse de la lumière se font dans le chapitre de physique Lumière : vitesse de propagation et année-lumière.
• L’Univers a une histoire. Il y a environ 13,8 milliards d’années, il était extrêmement chaud et dense : c’est le Big Bang. Dans les premières minutes se forment des noyaux d’hydrogène et d’hélium. Moins de 400 millions d’années plus tard s’allument les premières étoiles, qui se rassemblent en galaxies. Le système solaire naît bien plus tard, il y a 4,6 milliards d’années.
• Depuis, l’Univers est en expansion : les galaxies lointaines s’éloignent les unes des autres. Georges Lemaître l’a proposé en 1927, Edwin Hubble l’a montré par ses observations en 1929 : c’est la loi de Hubble-Lemaître.
L’histoire de l’Univers, comptée depuis le Big Bang : les premières étoiles très tôt, le système solaire 9,2 milliards d’années après le Big Bang.
Comparer des âges. 13,8 ÷ 4,6 = 3 : l’Univers est trois fois plus vieux que le système solaire.
Compter les étoiles. Si chacune des 10¹¹ galaxies (100 milliards) comptait 10¹¹ étoiles, l’Univers observable en contiendrait 10¹¹ × 10¹¹ = 10¹¹⁺¹¹ = 10²² : dix mille milliards de milliards d’étoiles.
Situer le Soleil. Notre étoile tourne autour du centre de la Voie lactée, avec les autres : un tour prend environ 230 millions d’années.
Réflexe — pour situer un événement, je le place sur la frise : date après le Big Bang = 13,8 − « il y a … » (en milliards d’années) ; l’ordre est toujours le même : Big Bang, premières étoiles et galaxies, système solaire.
Attention — le Big Bang n’est pas une explosion qui aurait eu lieu en un point d’un espace vide : c’est l’état très chaud et très dense de tout l’Univers au début de son histoire. Et l’expansion éloigne les galaxies entre elles ; elle ne fait grossir ni les étoiles, ni les planètes, ni les atomes.
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Les éléments chimiques, sur Terre et dans l’Univers
Une étoile, un caillou, une fleur : tout est fait des mêmes briques. Rappel : un atome se note par un symbole, une majuscule parfois suivie d’une minuscule (H, C, N, O, Fe…), comme tu l’as vu en 5e (Atomes et molécules).
• On connaît 118 éléments, dont 94 existent dans la nature. Toute la matière de l’Univers, étoiles, planètes et êtres vivants, est faite de ces mêmes éléments et obéit partout aux mêmes lois : la matière est de même nature dans tout l’Univers.
• Mais les proportions changent d’un milieu à l’autre (en masse, voir la figure) : dans l’Univers, l’hydrogène (≈ 74 %) et l’hélium (≈ 24 %) font presque tout ; dans la croûte terrestre, l’oxygène (≈ 46 %) et le silicium (≈ 28 %) dominent ; la Terre entière est surtout faite de fer (≈ 32 %) et d’oxygène (≈ 30 %) ; le corps humain d’oxygène (≈ 65 %), de carbone (≈ 18 %), d’hydrogène (≈ 10 %) et d’azote (≈ 3 %).
• Pourquoi ces différences ? La Terre, petite et proche du Soleil, n’a pas retenu l’hydrogène et l’hélium, gaz très légers. À sa formation, le fer, très dense, est descendu vers le centre, où il forme l’essentiel du noyau : la croûte est riche en oxygène et en silicium, la Terre entière en fer. Le vivant, lui, est fait d’eau et de molécules construites sur le carbone.
• Masse d’un élément dans un échantillon = masse de l’échantillon × pourcentage ÷ 100.
Les éléments en masse dans quatre milieux. Croûte : aluminium ≈ 8 %, fer ≈ 6 % ; Terre entière : silicium ≈ 15 %, magnésium ≈ 14 % ; corps humain : azote ≈ 3 %, calcium ≈ 1,5 %, phosphore ≈ 1 %. En gris : tous les autres éléments.
| Élément | Symbole | Où le trouve-t-on surtout ? |
|---|---|---|
| Hélium | He | étoiles, géantes gazeuses |
| Silicium | Si | roches (quartz, silicates) |
| Magnésium | Mg | roches du manteau terrestre |
| Nickel | Ni | noyau terrestre, avec le fer |
| Calcium | Ca | calcaire, os et dents |
| Phosphore | P | os, ADN |
| Or | Au | traces dans les roches |
| Uranium | U | traces dans les roches |
La croûte. 1 kg de croûte « moyenne » contient environ 1 000 × 46 ÷ 100 = 460 g d’oxygène et 1 000 × 28 ÷ 100 = 280 g de silicium.
Le vivant. Un adulte de 70 kg contient environ 70 × 18 ÷ 100 = 12,6 kg de carbone.
Un élément rare. La croûte ne contient qu’environ 4 mg d’or par tonne de roche.
Réflexe — je repère d’abord le milieu (Univers, croûte, Terre entière, être vivant) avant de citer ses éléments dominants ; pour une masse, je calcule masse × pourcentage ÷ 100.
Attention — élément ne veut pas dire corps pur : l’oxygène de la croûte n’est pas du dioxygène gazeux, il est lié au silicium et aux métaux dans les roches. Et l’hélium, deuxième élément de l’Univers, est presque absent de la Terre.
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D’où viennent les éléments ? Les étoiles
L’hydrogène de l’eau que tu bois est presque aussi vieux que l’Univers ; le carbone de tes cellules a été fabriqué dans une étoile disparue. Les étoiles sont les usines où naissent les éléments.
• Au cœur d’une étoile, très chaud (environ 15 millions de degrés pour le Soleil) et très dense, des noyaux légers s’assemblent en noyaux plus lourds : c’est la fusion nucléaire. Elle libère l’énergie que l’étoile rayonne. Le Soleil transforme ainsi chaque seconde environ 620 millions de tonnes d’hydrogène en hélium.
• Quand l’hydrogène du cœur s’épuise, les fusions continuent avec des noyaux de plus en plus lourds : l’hélium donne le carbone et l’oxygène (le Soleil le fera dans quelques milliards d’années) ; dans les étoiles massives, plus de 8 fois plus massives que le Soleil, viennent ensuite le néon, le magnésium, le silicium… jusqu’au fer. Au-delà du fer, la fusion ne libère plus d’énergie : le cœur de l’étoile s’effondre et l’étoile explose en supernova.
• Les éléments plus lourds que le fer (or, platine, uranium) se forment lors d’événements violents : les explosions de supernovae et les collisions d’étoiles à neutrons (une collision de ce type, observée en 2017, a confirmé qu’elle fabrique de l’or et du platine).
• Les vents des étoiles et les explosions dispersent ces atomes dans l’espace. Ils se mêlent aux nuages de gaz d’où naissent de nouvelles étoiles et leurs planètes. Le système solaire est né d’un tel nuage, déjà enrichi : le carbone de nos cellules, l’oxygène que nous respirons, le fer de notre sang ont été fabriqués dans des étoiles disparues avant le Soleil. L’astrophysicien Hubert Reeves l’a résumé par le titre de son livre de 1984 : nous sommes des poussières d’étoiles.
| Où ? | Éléments formés |
|---|---|
| Big Bang (premières minutes) | hydrogène, hélium, traces de lithium |
| Cœur des étoiles comme le Soleil | hélium (à partir de l’hydrogène) |
| Cœur des étoiles, quand l’hydrogène s’épuise | carbone, oxygène (à partir de l’hélium) |
| Cœur des étoiles massives | néon, magnésium, silicium… jusqu’au fer |
| Supernovae et collisions d’étoiles à neutrons | éléments plus lourds que le fer : or, platine, uranium |
Un verre d’eau. Dans une molécule H₂O, les deux atomes d’hydrogène datent du Big Bang ; l’atome d’oxygène a été fabriqué au cœur d’une étoile massive.
Une bague en or. Ses atomes d’or viennent d’explosions ou de collisions d’étoiles survenues avant la naissance du Soleil, puis ont été mêlés au nuage qui a formé la Terre.
Les os. Le calcium de nos os, plus lourd que l’oxygène et plus léger que le fer, a été fabriqué au cœur d’étoiles massives.
Réflexe — pour trouver l’origine d’un élément : hydrogène ou hélium → Big Bang (et étoiles pour l’hélium) ; du carbone au fer → cœur des étoiles (les étoiles massives seules vont jusqu’au fer) ; plus lourd que le fer → supernovae et collisions d’étoiles à neutrons.
Attention — le Soleil ne « brûle » pas : la fusion nucléaire n’est pas une combustion. Elle ne demande pas de dioxygène, et ce sont les noyaux qui changent, alors que dans une transformation chimique les atomes se conservent. Et le Soleil, étoile peu massive, ne fabrique pas d’or : il fabrique de l’hélium.
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Pour aller plus loin
Revoir. Les huit planètes, leur ordre et leurs familles : La planète Terre (SVT 6e) et La Terre dans le système solaire (SVT 5e). Atomes, molécules et symboles : Atomes et molécules (5e).
Dans les autres chapitres de 4e. Calculer une distance ou une durée avec la vitesse de la lumière, convertir des années-lumière en kilomètres, voir loin c’est voir dans le passé : Lumière : vitesse de propagation et année-lumière (physique). Écrire et calculer en notation scientifique : La notation scientifique (mathématiques). Lire une formule comme SiO₂ : Formules chimiques.
Se verra en 3e. Ce qu’il y a dans un atome (noyau fait de protons et de neutrons, électrons) : Atome : noyau, électrons et neutralité ; le classement des 118 éléments : Tableau périodique ; la gravitation, qui tient ensemble planètes, étoiles et galaxies : Gravitation : l’attraction universelle.
- La matière de l’Univers est organisée en structures emboîtées, du noyau d’un atome (10⁻¹⁵ m) à l’Univers observable (10²⁷ m) ; l’ordre de grandeur d’une longueur est la puissance de 10 la plus proche, et 10ᵃ ÷ 10ᵇ = 10ᵃ⁻ᵇ. La matière est lacunaire : surtout du vide.
- Le système solaire est né il y a 4,6 milliards d’années d’un nuage de gaz et de poussières ; près du Soleil, des planètes de roches et de métaux, plus loin, des géantes de gaz et de glaces. 1 ua ≈ 1,5 × 10⁸ km.
- Une galaxie rassemble des milliards d’étoiles, de gaz et de poussières : la Voie lactée en compte 200 à 400 milliards. L’Univers est né il y a 13,8 milliards d’années (Big Bang) et il est en expansion.
- Toute la matière est faite des mêmes éléments chimiques, en proportions différentes : H et He dans l’Univers, O et Si dans la croûte, Fe et O dans la Terre entière, O, C, H, N dans le vivant.
- H et He viennent du Big Bang ; les étoiles fabriquent les éléments jusqu’au fer par fusion nucléaire ; les plus lourds naissent dans les supernovae et les collisions d’étoiles à neutrons : nous sommes des poussières d’étoiles.
Questions fréquentes
Comment trouver l’ordre de grandeur d’une longueur ?
On l’écrit en mètres sous la forme a × 10ⁿ, avec a entre 1 et 10, puis on prend la puissance de 10 la plus proche : 10ⁿ si a est proche de 1, 10ⁿ⁺¹ si a est proche de 10. Par exemple, 0,08 mm = 8 × 10⁻⁵ m a pour ordre de grandeur 10⁻⁴ m.
Pourquoi les planètes proches du Soleil sont-elles rocheuses et les lointaines gazeuses ?
Près du Soleil, il faisait trop chaud pour que l’eau et le méthane restent solides : seuls les roches et les métaux se sont assemblés. Plus loin, les glaces s’y ajoutaient, et des planètes sont devenues assez massives pour capturer l’hydrogène et l’hélium du nuage.
Qu’est-ce qu’une galaxie ?
Un immense ensemble d’étoiles, de gaz et de poussières liés par la gravitation. La Voie lactée, notre galaxie, compte 200 à 400 milliards d’étoiles, dont le Soleil ; l’Univers observable contient 100 à 200 milliards de galaxies.
Quels sont les éléments les plus abondants dans l’Univers et sur Terre ?
En masse, l’Univers est fait d’environ 74 % d’hydrogène et 24 % d’hélium. La croûte terrestre est surtout faite d’oxygène (≈ 46 %) et de silicium (≈ 28 %), la Terre entière de fer et d’oxygène, le corps humain d’oxygène, de carbone, d’hydrogène et d’azote.
Comment les éléments chimiques se sont-ils formés ?
L’hydrogène et l’hélium sont nés dans les premières minutes après le Big Bang. Les étoiles fabriquent les éléments suivants, jusqu’au fer, par fusion nucléaire ; les plus lourds (or, uranium) naissent dans les supernovae et les collisions d’étoiles à neutrons.
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