Pourquoi le ciel d'automne a-t-il si peu d'étoiles brillantes ?
― Le soir, en automne, nous regardons « hors » de la Voie lactée
Une nuit d'octobre, en levant les yeux vers le sud, on ne voit presque aucune étoile marquante. Ce n'est pas qu'il y ait moins d'étoiles : c'est que la direction que nous regardons, les soirs d'automne, en contient naturellement très peu. Au-delà, s'étend le vide de l'espace, hors du « disque d'étoiles » qu'est la Voie lactée.
Une nuit d'octobre, vers 20 h, on entend chanter les insectes. L'air s'est éclairci ; vous sortez sur le balcon et levez les yeux vers le sud.
Mais les étoiles visibles sont clairsemées. Quatre étoiles, faiblement lumineuses, forment un grand carré. Bas sur l'horizon sud, une seule étoile brillante flotte, isolée.
En hiver, au même endroit et à la même heure, Orion et Sirius scintillent côte à côte. Même lieu, même heure : pourquoi le ciel change-t-il autant d'animation selon la saison ?
Le ciel d'automne est terne pour deux raisons seulement
Notre galaxie a la forme d'un disque très fin. Le ciel sud que l'on observe les soirs d'automne ne traverse pas ce disque : le regard en sort presque aussitôt.
La plupart des étoiles qui paraissent brillantes sont de grandes étoiles nées récemment. Comme les étoiles naissent du gaz du disque, les plus jeunes se concentrent près de son plan médian.
Ces deux raisons ne sont pas indépendantes. Non seulement nous regardons vers une direction pauvre en étoiles, mais en plus les étoiles brillantes y sont encore plus rares. Cette double cause rend le ciel d'automne particulièrement discret.
Le ciel nocturne pointe, selon la saison, vers une direction différente de l'espace
Le ciel nocturne, c'est la portion de l'espace opposée au Soleil. La Terre tourne autour du Soleil en un an ; la direction que nous tournons le dos au Soleil la nuit pivote donc peu à peu, saison après saison.
Or le Soleil et la Terre se trouvent tous deux à l'intérieur d'un amas d'étoiles, la Voie lactée. Cette galaxie mesurerait environ 100 000 années-lumière de diamètre, pour une épaisseur d'à peine 1000 années-lumière environ : une finesse comparable à celle d'un disque de CD. Nous habitons à peu près au milieu de ce disque.
Regardez la figure 1. Le soir, en été, on regarde vers le centre du disque. En hiver, vers son bord extérieur. Dans les deux cas, le regard suit le disque sur toute sa longueur, et rencontre donc une multitude d'étoiles. C'est pourquoi la Voie lactée paraît dense en été, et pourquoi l'hiver compte tant d'étoiles brillantes.
Mais le soir, en automne, nous regardons vers le bas, en traversant le disque de part en part. Le regard sort du disque au bout de quelques centaines d'années-lumière seulement, et au-delà, il n'y a presque plus d'étoiles. Le centre de cette direction s'appelle le « pôle sud galactique » ; il se situe dans la constellation australe du Sculpteur. Si le ciel sud des soirs d'automne paraît si vide, c'est parce que nous regardons vers cette région.
Les étoiles brillantes se concentrent au centre du disque
Il existe deux types d'étoiles brillantes dans le ciel nocturne. Les unes se trouvent, par hasard, à proximité de la Terre. Les autres, bien que lointaines, sont de grandes étoiles qui rayonnent avec une intensité extrême.
Les grandes étoiles très lumineuses brûlent leur combustible rapidement, d'où une durée de vie courte. Les grandes étoiles brillantes que l'on observe aujourd'hui sont donc, en général, nées récemment. Or les étoiles naissent des nuages de gaz et de poussière accumulés au centre du disque.
Une étoile qui vient de naître ne s'est pas encore beaucoup éloignée de son lieu de naissance. Autrement dit, plus une étoile brillante est grande, plus elle se concentre dans la fine couche centrale du disque. La région d'Orion, en hiver, est justement un lieu où naissent en abondance ce genre de jeunes étoiles.
Or la direction que l'on regarde les soirs d'automne ne traverse presque pas cette fine couche. C'est pourquoi, dans le ciel d'automne, il ne reste guère que des étoiles brillantes « par hasard proches » de nous. Fomalhaut, qui brille seule, bas dans le ciel sud, doit son éclat à sa proximité : elle n'est qu'à environ 25 années-lumière de la Terre.
Le ciel compte au total 21 étoiles dites de première grandeur. Le soir, en hiver, on peut en voir 7 à la fois. Le soir, en automne, on n'en voit qu'une seule : Fomalhaut. C'est pourquoi on la surnomme depuis longtemps « l'étoile solitaire de l'automne » ou « l'étoile solitaire du sud ».
Moins d'étoiles, cela signifie aussi moins d'obstacles pour le regard. Dans le ciel d'automne, on peut apercevoir une autre galaxie, hors de la Voie lactée : la galaxie d'Andromède. Distante d'environ 2,5 millions d'années-lumière, elle apparaît, dans un ciel bien sombre, comme une faible tache floue à l'œil nu. C'est l'un des objets les plus lointains qu'on puisse voir sans instrument.
Comme le montre la flèche vers le haut de la figure 1, le soir de printemps, on regarde vers le « pôle nord galactique », en traversant le disque vers le haut. La Voie lactée y est donc, elle aussi, presque invisible. En revanche, au télescope, on découvre dans les régions de la Vierge et de la Chevelure de Bérénice une multitude de galaxies lointaines.
En résumé
Le ciel nocturne pointe, selon la saison, vers une direction différente de l'espace. En été et en hiver, cette direction longe le disque mince de la Voie lactée. Au printemps et en automne, elle le traverse pour en sortir. Comme les jeunes étoiles brillantes se concentrent au centre du disque, le ciel sud des soirs d'automne n'en compte presque aucune.
Si le ciel d'automne paraît si vide, ce n'est pas que la saison manque d'étoiles :
c'est que nous regardons vers l'obscurité, hors de notre galaxie.
Pour la raison profonde pour laquelle le ciel change selon la saison, voir « Pourquoi y a-t-il des saisons ? » ; pour comprendre pourquoi on ne voit pas les étoiles le jour, voir « Pourquoi ne voit-on pas les étoiles en plein jour ? » ; et pour la pleine lune d'automne, voir « La pleine lune de la mi-automne n'est-elle pas toujours vraiment pleine ? ».
- Par une nuit d'octobre bien dégagée, vers 20 h-21 h, allez dans un lieu peu éclairé et laissez vos yeux s'habituer à l'obscurité pendant environ 10 minutes.
- Regardez à travers un tube de papier toilette braqué plein sud, et comptez les étoiles visibles à l'intérieur. Changez légèrement d'endroit et recommencez trois fois.
- Ensuite, pointez le tube au-dessus de votre tête, vers le nord-est (du côté du Cygne ou de Cassiopée), et comptez de la même façon, trois fois. C'est la direction où coule la Voie lactée.
Regarder à travers le tube garantit un champ de vision identique à chaque fois, ce qui permet de comparer équitablement la « densité » d'étoiles. La luminosité du ciel ou la brume près de l'horizon peuvent aussi modifier le décompte : comparez si possible deux régions du ciel situées à une hauteur similaire.
Pour aller plus loin ― vocabulaire, formules et liens avec les programmes scolairesDu collège à l'université, chaque niveau est clairement indiqué
- CollègeProgramme de sciences du collège
- LycéeProgramme de « sciences de la Terre » du lycée
- Lycée+Contenu d'approfondissement du lycée, ou encadré de manuel
- UniversitéContenu non enseigné au lycée, relevant d'une matière universitaire spécialisée (astronomie, astronomie galactique)
- RechercheContenu qui n'est même pas enseigné à l'université comme « théorie établie » : un sujet encore à l'étude par les chercheurs
CollègeVocabulaire : ce phénomène a un nom
- Voie lactée (Galaxie) : amas de plusieurs centaines de milliards d'étoiles, dont le Soleil fait partie. Elle a la forme d'un disque mince ; ce disque, vu de l'intérieur, forme la bande lumineuse du ciel nocturne.
- Magnitude : nombre exprimant l'éclat apparent d'une étoile. Plus il est petit, plus l'étoile est brillante ; un écart d'une magnitude correspond à un rapport d'éclat d'environ 2,5.
- Pôle galactique : direction perpendiculaire au disque de la Voie lactée. Le pôle sud galactique se trouve dans le Sculpteur, le pôle nord galactique dans la Chevelure de Bérénice.
CollègeLycéeVérification par le calcul : quelle différence entre regarder le long du disque et en sortir ?
Le nombre d'étoiles visibles dans une direction dépend de la « profondeur » sur laquelle des étoiles s'y trouvent. Si l'on assimile le champ observé à un cône, le nombre d'étoiles est proportionnel au volume de ce cône.
| En symboles | N = n × ( Ω ÷ 3 ) × r³ ⇒ N disque ÷ N pôle = ( D ÷ h )³ |
| En mots | Nombre d'étoiles visibles = densité d'étoiles × volume du cône observé. Le volume étant proportionnel au cube de la profondeur, le rapport du nombre d'étoiles entre deux directions vaut « le cube du rapport des profondeurs ». |
| D'où vient cette formule | Du volume d'une sphère (4 ÷ 3 × π × rayon³), dont on ne prélève que la portion en cône correspondant au champ observé. Si les étoiles sont réparties uniformément, leur nombre est proportionnel au volume. |
| Symbole | Signification et unité |
| N | Nombre d'étoiles visibles (unités) |
| n | Densité d'étoiles (nombre par année-lumière cube) |
| Ω | Étendue du champ observé (angle solide ; ce que couvre le tube) |
| D | Distance, le long du disque, jusqu'à laquelle une grande étoile brillante reste visible à l'œil nu (années-lumière) |
| h | Épaisseur de la couche de jeunes étoiles, du plan médian jusqu'au bord (années-lumière) |
| Distance approximative à laquelle une jeune étoile très lumineuse reste visible à l'œil nu D | environ 1500 années-lumière (hypothèse retenue ici) |
| Épaisseur d'un côté de la couche de jeunes étoiles h | environ 300 années-lumière (les sources varient) |
| Diamètre de la Voie lactée | environ 100 000 années-lumière |
| Épaisseur du disque (en comptant les étoiles âgées) | environ 1000 années-lumière |
| Diamètre d'un CD audio | 120 mm |
| Rapport des profondeurs D ÷ h | 1500 ÷ 300 = 5 |
| Carré du rapport | 5 × 5 = 25 |
| Cube du rapport (= rapport du nombre de jeunes étoiles brillantes) | 25 × 5 = 125 |
| « Diamètre ÷ épaisseur » de la Galaxie | 100 000 ÷ 1000 = 100 |
| Épaisseur d'un CD à la même proportion (mm) | 120 ÷ 100 = 1,2 |
Selon ce modèle simplifié, on verrait plus de 100 fois plus de jeunes étoiles brillantes le long du disque que dans la direction qui en sort. La finesse de la Galaxie correspond à peu près à celle d'un CD de 1,2 mm d'épaisseur. Mais en réalité, la poussière masque les étoiles lointaines, et des étoiles ordinaires proches se trouvent dans toutes les directions. L'écart réellement observé à l'œil nu reste donc bien moindre, de l'ordre de quelques fois seulement. Plus on se limite aux étoiles très brillantes, plus l'écart se creuse.
LycéeLycée+Éclat, distance et âge des étoiles
LycéeL'éclat apparent d'une étoile diminue avec le carré de la distance (loi de l'inverse du carré). Un écart de 5 magnitudes correspond exactement à un rapport d'éclat de 100. La « magnitude absolue » compare l'éclat réel des étoiles ramenées à une même distance de 10 parsecs (environ 32,6 années-lumière). Fomalhaut a un éclat réel modeste ; elle ne paraît brillante que parce qu'elle est proche.
Lycée+Plus une étoile est massive, plus la température de son cœur est élevée et plus la fusion nucléaire s'y déroule vite, d'où une durée de vie plus courte. Une étoile d'environ 10 fois la masse du Soleil vivrait quelques dizaines de millions d'années. À l'inverse, les étoiles âgées, attirées peu à peu par d'autres étoiles ou nuages de gaz au fil du temps, s'écartent progressivement au-dessus et en dessous du disque. C'est pourquoi la couche d'étoiles est d'autant plus mince que les étoiles sont jeunes, et d'autant plus épaisse qu'elles sont âgées.
UniversitéCoordonnées galactiques et comptage d'étoiles
En astronomie, on repère les directions par rapport au disque de la Voie lactée à l'aide des coordonnées galactiques (longitude et latitude galactiques). Une latitude galactique de 0 degré correspond au plan médian du disque, et ±90 degrés aux pôles galactiques nord et sud. La méthode consistant à compter, pour chaque latitude galactique, le nombre d'étoiles plus brillantes qu'un certain seuil s'appelle le comptage d'étoiles ; c'est, depuis le début du XXe siècle, une technique fondamentale pour étudier la forme de la Galaxie. La densité d'étoiles est souvent modélisée comme décroissant de façon exponentielle avec la hauteur au-dessus du disque, et l'échelle caractéristique de cette décroissance s'appelle la hauteur d'échelle. Par ailleurs, les jeunes étoiles brillantes qui s'étendent d'Orion au Scorpion forment une bande inclinée d'environ 20 degrés par rapport au disque, appelée ceinture de Gould.
📖 Pour la démonstration des formules et pour aller plus loin : Wikipédia « Coordonnées galactiques » ／ Wikipédia « Disque galactique »
RechercheCe qui reste encore incertain
- Le disque n'est-il pas parfaitement plat ? On sait que le bord extérieur du disque de la Voie lactée est gauchi, comme ondulé (le « warp »). La cause de cette déformation n'est pas encore tranchée.
- La véritable nature de la ceinture de Gould On débat encore de savoir si cette bande inclinée de jeunes étoiles forme réellement un ensemble unique. En 2020, une autre structure a été rapportée : une chaîne ondulée de nuages de gaz proches, appelée « onde de Radcliffe ».
- La refonte de la carte tridimensionnelle des étoiles Un satellite a mesuré la distance de plus d'un milliard d'étoiles ; les estimations de l'épaisseur du disque et de la répartition des étoiles continuent d'être révisées.
Le contenu de cet article n'est donc, lui aussi, qu'une « explication en l'état actuel des connaissances ». L'idée générale, selon laquelle le ciel d'automne pointe hors du disque, ne devrait pas changer, mais des valeurs comme l'épaisseur du disque pourraient encore être révisées à l'avenir.
Liens avec les programmes scolaires (par niveau)
| Niveau | Matière / unité | Passage correspondant de l'article |
|---|---|---|
| Collège | Sciences, « la Terre et l'espace » (saisons et constellations, Voie lactée) | Le fait que le ciel nocturne pointe vers une direction différente selon la saison |
| Lycée | Sciences de la Terre, « propriétés des étoiles », « structure de la Galaxie » | Magnitude et distance, disque galactique |
| Lycée+ | Sciences de la Terre, « évolution stellaire » | Durée de vie plus courte des étoiles massives, jeunes étoiles concentrées dans le disque |
| Université | Astronomie galactique | Coordonnées galactiques, comptage d'étoiles, hauteur d'échelle, ceinture de Gould |
| Recherche | Structure galactique et astrométrie stellaire | Gauchissement du disque, onde de Radcliffe |
| ― | Lien avec la vie quotidienne | L'automne est la saison où l'on peut, à l'œil nu, chercher des galaxies hors de la Voie lactée |
- Observatoire astronomique national du Japon (éd.), Rika Nenpyō (Annuaire scientifique), Maruzen Publishing (liste des étoiles de première grandeur, distances stellaires) — 国立天文台編『理科年表』
- Wikipédia « Fomalhaut » (l'une des 21 étoiles de première grandeur du ciel, étoile de l'automne)
- J. Binney, M. Merrifield, Galactic Astronomy, Princeton University Press, 1998 (comptage d'étoiles et structure du disque galactique)
- J. Alves et al., « A Galactic-scale gas wave in the solar neighbourhood », Nature 578, 2020 (onde de Radcliffe)
- Tenmon Nenkan (Almanach astronomique), Seibundo Shinkosha (ciels saisonniers) — 『天文年鑑』誠文堂新光社
※ Cet article est une vulgarisation scientifique destinée au grand public. Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur donnés pour faciliter la compréhension du mécanisme. Le schéma de la Galaxie simplifie la relation entre saisons et directions ; en réalité, le plan de l'orbite terrestre est fortement incliné par rapport au disque de la Voie lactée. Lors d'observations nocturnes, faites attention où vous marchez et évitez de vous rendre seul(e) dans un lieu sombre et isolé.