Question centrale

Comment les galaxies se déplacent-elles dans l'Univers les unes par rapport aux autres ?

Matériel requis

• Un ballon de baudruche
• Du ruban adhésif
• Un mètre ruban
• Un crayon
• Une pince à linge (facultatif)

Matériel facultatif

• Un double-mètre pliant ou mètre ruban
• Un chronomètre

Idées principales et notions de base

• Lorsqu'un ballon est gonflé, son volume interne et sa superficie augmentent. Lorsque le volume augmente, chaque point sur la surface s'éloigne du centre du ballon. Et quand la superficie augmente, chaque point sur la surface s'écarte des autres points de la surface.
• Dans l'Univers en expansion, les galaxies évoluent de la même façon. Au fur et à mesure que l'Univers s'étend, les galaxies s'éloignent en s'écartant les unes des autres.

Conseils sur le déroulement de l'expérience

• Un ballon de baudruche rond donnera de meilleurs résultats que ceux en forme de poire, par exemple. Evitez, par contre, les ballons longs.
• Avant de gonfler le ballon, étirez-le à ses deux extrémités pendant quelques instants. Il sera ensuite plus facile à gonfler.
• Sachez également qu'un gros ballon se gonfle mieux qu'un petit ballon.
• Assurez-vous que les élèves décident de la distance qu'ils vont mesurer (par exemple, d'un point représentatif d'une galaxie à un autre), avant de coller les morceaux de ruban adhésif sur le ballon.
• Pour les ballons de taille intermédiaire, il est conseillé de ne pas trop les gonfler au début. Economisez votre souffle, il faudra continuer de gonfler les ballons pour les mesures finales.
• Si les élèves n'ont ni autocollant, ni ruban adhésif à leur disposition, ils peuvent dessiner au feutre trois petits points directement sur le ballon. Mais attention, la taille des points eux-mêmes s'élargira avec l'expansion du ballon. Cela risque de fausser la mesure des distances.
• Le gonflage du ballon, notamment au tout début, peut entraîner une pression assez douloureuse sur les tympans ou les sinus.

Discussion

1. Comment les distances entre les galaxies ont-elles évolué au fur et à mesure de l'expansion du ballon ? Comment expliqueriez-vous cela ? (Les distances entre les galaxies augmentent au fur et à mesure que le ballon est gonflé. Les points sur la surface du ballon s'écartent également car la superficie augmente en même temps que le ballon.)
2. Selon vous, que se passe-t-il si vous collez les morceaux de ruban adhésif plus loin ? Et plus près ? (Quelle que soit la distance initiale entre les morceaux de ruban adhésif, elle augmentera toujours avec l'expansion du ballon.)
3. En quoi cette expérience s'applique-t-elle à la vie réelle ? (Orientez la discussion des élèves vers les galaxies dans l'espace. Lorsque l'Univers s'étend, les galaxies semblent s'éloigner les unes des autres. Ils peuvent également rapprocher cette expérience du cas d'un cake aux raisins. En effet, les raisins ont tendance à s'écarter dans la pâte pendant la cuisson. Autre exemple concret : les ronds dans l'eau qui se propagent après avoir jeté un caillou dans une mare. Demandez aux élèves de trouver d'autres exemples. )

Evaluation

Les élèves peuvent-ils décrire la façon dont les galaxies se déplacent dans l'Univers les unes par rapport aux autres ? (L'Univers semble s'élargir comme un ballon que l'on gonfle. Plus le ballon est gonflé, plus les points sur la surface du ballon, symbolisant les galaxies, s'écartent et s'éloignent.)

Variantes et autres études

• Renouvelez l'expérience avec cette fois-ci :
  – des ballons de taille et de forme variées ;
  – des objets autres que des morceaux de ruban adhésif ;
  – des objets collés à différents endroits du ballon ;
  – des objets placés dans des configurations différentes (par exemple, quatre objets disposés en carré) sur la surface du ballon ;
  – un gonflage moins ou plus important.
• Avant que les élèves ne se lancent dans ces nouvelles expériences, demandez-leur de deviner le résultat de chacune d'entre elles et d'expliquer leurs réponses. Ils devront ensuite comparer leurs estimations avec les résultats obtenus et argumenter les écarts éventuels constatés.

Applications industrielles

• Carrières en astronomie et dans le domaine spatial
• Etude des caractéristiques d'extension et de rétrécissement des tissus dans l'industrie textile
• Etudes des styles architecturaux de revêtement des bâtiments devant tenir compte des phénomènes de dilatation et de rétrécissement

Corrélations avec les standards éducatifs anglo-saxons

United States: Cet exercice rel¨¨ve de certaines parties de la norme NSES Content Standard A, Science as Inquiry et Content Standard G, History and Nature of Science, Grades 5-8 et 9-12 ainsi que des normes suivantes :

Grades 5-8
Standard B – Physical Science: B2

Grades 9-12
Standard B – Physical Science: B4, D4

Britain: Cet exercice rel¨¨ve de la norme anglaise relative ¨¤ l'enseignement Sc1, ? Science Enquiry ? ainsi qu'aux normes suivantes :

KS4, Sc4, 4d

Glossaire/vocabulaire

cosmos
galaxie
univers

Liens (en anglais)

HyperPhysique***** Astrophysique : l'expansion de l'Univers

Ce site explique l'expansion de l'Univers à partir d'un cake aux raisins.

Les fondements de la cosmologie moderne

Ce site, consacré aux fondements de la cosmologie moderne, contient un lien (voir ci-dessous) vers une démonstration utilisant une sphère grossissante, exactement comme notre ballon.

Expansion : un exemple d'une sphère en 2D
Une fenêtre sur l'Univers : la constante d'Hubble : l'expansion de l'Univers

Cette page contient trois niveaux d'informations sur l'expansion de l'Univers. Le niveau élémentaire s'affiche par défaut. Pour accéder aux niveaux intermédiaire et avancé, cliquez sur Intermediate et Advanced, en haut de la page.

Groupement d'astrophysique : l'expansion de l'Univers

Ce site inclut une animation montrant comment les galaxies s'éloignent les unes des autres avec l'expansion de l'Univers.

L'almanach mondial : la cosmologie

Fournit une excellente présentation de la cosmologie.

NASA : l'Univers

Ce site de la NASA propose d'explorer différents domaines liés à l'espace.