Physique spatiale — physique uniquement (4.8)

Les étoiles naissent, brûlent et meurent ; les galaxies s'éloignent les unes des autres ; et la lumière qu'elles nous envoient porte ces nouvelles. Cette référence couvre AQA GCSE Physique 8463, sujet 4.8 Physique spatiale.

Comment ce sujet est abordé à l'examen :

• Tout le sujet est reserved à la physique uniquement, figurant au Paper 2.
• Les trois affirmations sur le mouvement orbital sont uniquement HT (orbites circulaires, variation de vitesse à vitesse constante, changements de rayon d'orbite stable).
• Les faits doivent être exacts : la séquence du cycle de vie, l'histoire de fusion des éléments et la chaîne du décalage vers le rouge.

Le système solaire : une étoile (le Soleil), huit planètes, les planètes naines orbitant autour du Soleil, et les satellites naturels (lunes) orbitant autour des planètes. Notre système solaire est une petite partie de la galaxie de la Voie lactée.

Formation du Soleil : un nuage de poussière et de gaz (une nébuleuse) a été rassemblé par attraction gravitationnelle. En s'effondrant :

1. le centre dense a chauffé jusqu'à ce que la fusion commence — une étoile s'est allumée ;
2. la pression vers l'extérieur de la fusion équilibre la traction vers l'intérieur de la gravité — un équilibre qui dure toute la vie de séquence principale de l'étoile.

Le cycle de vie est déterminé par la taille de l'étoile.

Étoile de taille solaire : nébuleuse → protostelle → séquence principale (fusion de l'hydrogène ; équilibre) → géante rouge (l'hydrogène s'épuise ; l'hélium et les éléments plus lourds fondent ; l'étoile gonfle) → naine blanche (la fusion s'arrête ; le noyau se contracte et refroidit) → éventuellement une naine noire.

Étoile massive (beaucoup plus massive que le Soleil) : nébuleuse → protostelle → séquence principale → supergéante rouge → supernova (explosion) → étoile à neutrons, ou — pour les plus massives — un trou noir.

D'où viennent les éléments (une séquence favorite) :

• La fusion dans les étoiles produit des éléments jusqu'à fer.
• Les éléments plus lourds que le fer se forment lors d'une supernova.
• La supernova répand les éléments dans tout l'univers — la matière des planètes et des êtres humains.

La gravité fournit la force centripète maintenant les planètes et les satellites en orbite circulaire.

• Planètes : orbitent autour du Soleil. Lunes : satellites naturels orbitant autour des planètes. Satellites artificiels : fabriqués par nous, orbitant autour de la Terre. Tous maintenus par la gravité, et distingués uniquement par ce qu'ils orbitent et qui les a fabriqués.
• (HT) Une orbite circulaire a une vitesse changeante mais une intensité constante — la vitesse est un vecteur, et la direction change continuellement ; la force gravitationnelle agit perpendiculairement au mouvement, changeant la direction mais pas l'intensité.
• (HT) Pour une orbite stable à une vitesse différente, le rayon doit changer : aller plus vite et l'orbite doit être plus petite (ou l'étoile vous dévie) ; aller plus lentement et elle doit être plus grande.

La lumière provenant des galaxies les plus lointaines présente une augmentation de la longueur d'onde — un décalage vers l'extrémité rouge : le décalage vers le rouge.

• Plus la galaxie est éloignée, plus elle s'éloigne vite et plus le décalage vers le rouge est grand.
• Le décalage vers le rouge signifie que l'univers est en expansion. En sens inverse, tout était autrefois contenu dans une région très petite, extrêmement chaude et dense — le Big Bang.

La chaîne logique reconnue : observation du décalage vers le rouge → galaxies qui s'éloignent → plus loin = plus vite → expansion de l'espace lui-même → Big Bang. Et le point méthodologique : les observations (enquêtes sur le décalage vers le rouge, et depuis les supernovae 1998 montrant que les galaxies s'éloignent de plus en plus vite) constituent les preuves dont la théorie est construite ; il reste beaucoup inconnu, par exemple la matière noire et l'énergie sombre.

• Énumérer les éléments du système solaire et la formation du Soleil à partir d'une nébuleuse sous l'effet de la gravité.
• Dessiner ou ordonner les deux cycles de vie ; indiquer où chaque élément se forme.
• Expliquer les orbites par la gravité ; (HT) expliquer la variation de la vitesse à vitesse constante et les changements de rayon pour des orbites stables.
• Énoncer la chaîne du décalage vers le rouge et sa conclusion concernant le Big Bang, l'observation des supernovae 1998, et une inconnue ouverte.