En un coup d'œil
L'astrophysique étudie les phénomènes physiques qui gouvernent l'univers, des étoiles aux galaxies.
Elle a révélé des processus extraordinaires : la fusion nucléaire stellaire, la déformation de l'espace-temps, l'expansion cosmique.
L'astrophysique, féérique et surprenante, nous dévoile l'histoire et l'évolution de l'univers depuis le Big Bang jusqu'à nos jours.
La physique constitue un domaine scientifique extraordinaire ! À chaque échelle, elle dévoile des phénomènes aussi surprenants les uns que les autres. À l'échelle quantique (la plus petite qui soit : atomes, électrons, photons), les lois de la physique changent radicalement, remettant en cause tout ce que nous connaissons et offrant des perspectives nouvelles. Quant à l'astrophysique, dont vous allez découvrir quelques théories, elle nous transporte dans l'immensité cosmique pour décoder les phénomènes les plus grandioses de l'univers.
Cette science est née de la rencontre entre l'astronomie et la physique. Elle révèle comment fonctionnent les étoiles, pourquoi l'espace-temps se courbe autour des objets massifs, et comment l'univers tout entier évolue depuis sa naissance. Des réactions thermonucléaires au cœur des étoiles aux mystérieux trous noirs qui déforment la réalité, l'astrophysique dévoile un cosmos régi par des lois physiques d'une beauté et d'une grandeur saisissantes.
Le cycle de vie des étoiles
Les étoiles naissent dans de vastes nurseries cosmiques appelées nébuleuses, où des nuages de gaz et de poussières se contractent sous l'effet de la gravité. Lorsque la température et la pression au centre de ces nuages atteignent des valeurs critiques, les réactions de fusion nucléaire s'amorcent : l'hydrogène se transforme en hélium, libérant une énergie colossale. Cette ignition marque la naissance d'une nouvelle étoile, qui entame alors une longue phase de stabilité appelée "séquence principale".
Une image sublime à découvrir : En 2022, le télescope James Webb a capturé pour la première fois la nébuleuse d'Orion située à 1350 années-lumière de la Terre.
Durant cette phase, qui peut durer des milliards d'années, l'étoile maintient un équilibre entre la poussée de radiation générée par la fusion nucléaire et l'attraction gravitationnelle qui tend à la comprimer. Cet équilibre hydrostatique détermine la taille, la luminosité et la température de surface de l'étoile. Plus une étoile est massive, plus elle brûle rapidement son combustible nucléaire et plus sa durée de vie est courte. Paradoxalement, les géantes brillantes meurent jeunes tandis que les petites naines rouges peuvent vivre des centaines de milliards d'années.
Lorsque l'hydrogène du noyau stellaire s'épuise, l'étoile entame les dernières phases de son existence. Les étoiles de masse modeste se transforment en géantes rouges avant d'expulser leurs couches externes et de laisser derrière elles une naine blanche. Il se pourrait que ce soit le sort réservé à notre Soleil. Les étoiles massives connaissent quant à elles un destin spectaculaire : elles s'effondrent "sous l'effet de leurs propres forces gravitationnelles", provoquant une gigantesque onde de choc et "le phénomène libère l'équivalent de 10 puissance 30 bombes atomiques" d'après le CNRS. Elles dispersent ainsi dans l'espace des éléments qui enrichissent l'univers en matières nécessaires à la formation des planètes et de la vie.
Les trous noirs et l'espace-temps
Les trous noirs représentent l'une des prédictions les plus spectaculaires de la relativité générale d'Einstein. Ces objets se forment lorsque la matière s'effondre sur elle-même avec une densité si extrême qu'elle déforme l'espace-temps. Au point de créer une zone d'où rien, pas même la lumière, ne peut s'échapper. Son rayon, appelé "horizon des événements", délimite une frontière invisible au-delà de laquelle les lois physiques que nous connaissons cessent de s'appliquer de manière compréhensible.
La formation d'un trou noir résulte de l'effondrement gravitationnel d'une étoile très massive en fin de vie. Quand les réactions nucléaires ne peuvent plus contrebalancer l'attraction gravitationnelle, l'étoile s'effondre. Si sa masse dépasse environ trois fois celle du Soleil, rien ne peut arrêter cet effondrement : la matière se concentre vers un point de densité théoriquement infinie nommé dans certaines théories "singularité", créant une déformation si importante de l'espace-temps qu'elle piège définitivement tout ce qui s'en approche de trop près.
Les trous noirs supermassifs, des millions ou milliards de fois plus lourds que le Soleil, siègent au centre de la plupart des galaxies (il y en a un dans la Voie Lactée). Leur origine demeure mystérieuse. Quand la matière est attirée par le trou noir, elle forme un disque d'accrétion qui chauffe à des températures extrêmes et émet un rayonnement intense. Ces processus d'accrétion génèrent des jets de particules propulsées à des vitesses phénoménales, créant les phénomènes les plus énergétiques de l'univers et influençant la formation d'étoiles dans toute la galaxie hôte.
Les ondes graviationnelles
En novembre 1915, Albert Einstein publia un article présentant sa théorie de la relativité générale, avec une façon novatrice d'appréhender l'univers qui nous entoure. Dans cette théorie, il prédit l'existence d'ondes gravitationnelles : des ondulations de l'espace-temps qui se propagent à la vitesse de la lumière lorsque des masses accélèrent. Cent ans plus tard, cette prédiction théorique allait enfin être confirmée ! En 2015, trois chercheurs américains, Rainer Weiss, Barry Barish et Kip Thorne, parvinrent à valider expérimentalement ces ondes grâce aux détecteurs LIGO. Cette prouesse technique confirma également la théorie des aires des trous noirs d'un autre grand physicien, Stephen Hawking.
Le signal provenait de la fusion de deux trous noirs de 29 et 36 masses solaires qui spiralèrent l'un vers l'autre pendant des millions d'années avant de fusionner en une fraction de seconde à une vitesse de 200 000 km/s. Cette collision, survenue il y a 1,3 milliard d'années, libéra plus d'énergie sous forme d'ondes gravitationnelles que la réunion de toutes les étoiles observables dans l'univers d'après les scientifiques !
Depuis cette découverte, récompensée par le prix Nobel de physique (2017), les détecteurs LIGO et Virgo ont identifié plus de 90 événements gravitationnels. Ces détections ont ouvert une fenêtre entièrement nouvelle sur l'univers, permettant d'observer des phénomènes invisibles avec les télescopes traditionnels. Aussi, la collaboration Event Horizon Telescope (EHT) réussit en 2019 à photographier l'ombre du trou noir supermassif de la galaxie M87, révélant la structure de l'horizon des événements pour la première fois.
Le saviez-vous ? L'EHT est un réseau de radiotélescopes répartis sur tous les continents à des altitudes élevées, comme les volcans d'Hawaï et du Mexique. Ainsi, le Chili, l'Espagne, l'Arizona, le Groenland et l'Antarctique ont leur site. Tel est également le cas de la France (Noema dans les Hautes-Alpes - station Superdévoluy). Ces antennes ont été synchronisées grâce à une méthode appelée "interférométrie à très longue base". Ce procédé ingénieux permet de combiner les données recueillies par chaque site, comme si elles provenaient d’un seul télescope géant, aussi large que la planète elle-même, avec une résolution exceptionnelle.
Le Big Bang et l'expansion de l'univers
D'après la théorie du Big Gang, la naissance de l'univers s'est produite il y a 13,8 milliards d'années. Contrairement à une explosion ordinaire, qui se produit en un lieu défini, le Big Bang représente l'expansion simultanée de l'espace lui-même depuis un état initial de densité et de température extrêmes. Dans un communiqué, le CNRS a ainsi précisé que : "L'Univers primitif était alors trop chaud et dense pour que la lumière puisse se propager librement. Ce n'est qu'après 380 000 ans d’évolution, et le refroidissement du plasma qui constitue l’Univers primordial, que la lumière a pu commencer à se déplacer sans entrave ". C'est ainsi que les premiers nucléons sont apparus : les protons et les neutrons.
Le saviez-vous ? Les protons sont chargés positivement, tandis que les neutrons sont chargés négativement. Ensemble, ils composent le noyau des atomes, autour desquels gravitent des électrons chargés négativement. Selon leur nombre, les propriétés chimiques et physiques varient, et ensemble, ils forment la matière ! Tout ce qui existe autour de vous est composé d'atomes, depuis l'air que vous respirez jusqu'à vos cellules.
L'expansion de l'univers, découverte par Edwin Hubble dans les années 1920, continue aujourd'hui et semble même s'accélérer sous l'influence d'une mystérieuse énergie sombre. Cette expansion ne signifie pas que les galaxies se déplacent dans l'espace, mais que l'espace lui-même grandit, emportant avec lui les éléments cosmiques. Plus les galaxies sont lointaines, plus elles semblent s'éloigner rapidement de nous, créant un décalage vers le rouge de leur lumière qui nous permet de mesurer les distances et de reconstituer l'histoire de l'univers depuis ses origines jusqu'à nos jours.
Pour Approfondir
Christophe Galfard (conférence), Voyage vers l'infini, Espace des sciences, 2023.
David Elbaz (conférence), L'histoire de l'univers racontée par la lumière, Espace des sciences, 2022.
Stelvision, Les étoiles : naissance, vie et mort, 2017.
National Geographic, Qu’est-ce qu’une onde gravitationnelle, 2022.
National Geographic, Dix minutes pour comprendre les origines de l'Univers , 2025.
CNES, Le Big Bang, dossier.