Planétaire Kepler

Simulation physique · lois de Kepler et de Newton · éphémérides JPL

Planétaire Kepler

Du Système solaire au trou noir central de la Voie lactée : chaque position est calculée ici en direct à partir de données publiées, et pas animée à la main. Plus bas, le labo refait les calculs qui ont mené à la gravitation, au trou noir, à la matière noire et à la relativité.

Labo

Retrouver les lois à partir des données

Tu demandais si on peut repartir des données pour revoir les lois physiques et voir où ça mène. C’est exactement ce qui s’est passé historiquement. Chaque carte part de mesures publiées, applique une seule équation, et compare le résultat à la réalité. Tous les calculs tournent dans cette page.

1 · Kepler (1619)

Les 8 planètes obéissent à P² = a³

On trace la période P (en années) en fonction de la distance moyenne a (en UA) sur des axes logarithmiques. Si la loi est vraie, les points tombent sur une droite de pente 1,5.

planètes (données JPL)droite P = a1,5

2 · Newton (1687)

Peser le Soleil avec l’orbite de la Terre

Newton montre que la constante de Kepler contient la masse centrale :

G·M = 4π² · a³ / P²

3 · Même calcul, 2002–2020

Peser le trou noir avec l’étoile S2

L’étoile S2 tourne autour de Sgr A* en 16,05 ans, sur une ellipse de demi-grand axe 0,1255″ (seconde d’arc). À 8 178 pc de distance, cela fait a = 0,1255 × 8 178 ≈ 1 026 UA.

M = a³ / P² = 1026³ / 16,05² (en M☉, UA, années)

Aucune étoile n’est visible à cet endroit, donc c’est un objet compact et sombre. C’est l’argument qui a valu le prix Nobel 2020 à Genzel et Ghez.

4 · Rubin (années 1970) → matière noire

La galaxie tourne trop vite pour sa matière visible

Si toute la masse visible (étoiles + gaz ≈ 6 × 10¹⁰ M☉) était concentrée au centre, la vitesse orbitale devrait baisser en v = √(GM/R) quand on s’éloigne, comme pour les planètes. Or on mesure une vitesse presque constante.

vitesse mesurée (étoiles, Gaia + APOGEE)prévision : matière visible seuleprévision : trou noir seul

5 · Einstein (1915) → relativité, de Mercure à Mars

Là où Newton ne suffit plus

La relativité générale ajoute deux effets mesurables : les orbites tournent lentement sur elles-mêmes (précession), et les horloges avancent à un rythme qui dépend de la gravité et de la vitesse (dilatation du temps). Voici les valeurs recalculées ici, comparées aux mesures.

Où allons-nous ?

Trajectoire et calendrier

Il y a quatre mouvements emboîtés. La Terre tourne autour du Soleil, le Soleil fait le tour de la galaxie, la galaxie avance vers Andromède, et le Groupe local dérive vers de grandes concentrations de galaxies. On ne « tombe » pas vers le trou noir : notre vitesse latérale de 229 km/s nous maintient sur une orbite quasi circulaire, comme la Lune autour de la Terre.

Comment ça tourne

Schémas

Mouvements emboîtés et vitesses

flowchart TD
  A["Rotation de la Terre
0,47 km/s à l'équateur · 24 h"] --> B["Terre autour du Soleil
29,8 km/s · 1 an"] B --> C["Soleil autour du centre galactique
≈ 229 km/s · ≈ 220 millions d'années"] C --> D["Voie lactée vers Andromède
≈ 110 km/s de rapprochement"] D --> E["Groupe local / fond cosmologique
≈ 620 km/s vers Hydre-Centaure"] C -.gravité dominée par.-> F["Masse totale intérieure ≈ 10¹¹ M☉
dont trou noir 4,2 × 10⁶ M☉ = 0,004 %"]

Ce que calcule la page à chaque image

flowchart TD
  A["Éléments orbitaux publiés
a, e, i, Ω, ϖ, L (JPL / GRAVITY)"] --> B["Anomalie moyenne M(t)
angle qui avance à vitesse constante"] B --> C["Équation de Kepler
E − e·sin E = M
résolue par la méthode de Newton"] C --> D["Position dans le plan de l'orbite
x = a(cos E − e), y = b·sin E"] D --> E["3 rotations ω, i, Ω
→ repère de l'écliptique"] E --> F{"Vue"} F -->|Système| G["Projection 3D → écran"] F -->|Barycentre| H["Σ m·r / Σ m → centre de masse"] F -->|Hélice| I["Écliptique → repère galactique
+ vitesse du Soleil × temps"]

Référence

Glossaire, limites et sources

UA
Unité astronomique : distance Terre–Soleil, 149,6 millions de km.
al, pc, kpc
Année-lumière (9 461 milliards de km). Parsec = 3,26 al. Kiloparsec (kpc) = 1 000 pc = 3 262 al.
Ma, Ga
Million d’années, milliard d’années.
M☉
Masse solaire : 1,989 × 10³⁰ kg.
Excentricité e
Aplatissement de l’ellipse : 0 = cercle, proche de 1 = très allongée (Halley : 0,967).
Péri- / apocentre
Point le plus proche / le plus lointain de l’orbite (périhélie/aphélie autour du Soleil).
Anomalie moyenne
Angle fictif qui avance régulièrement avec le temps. L’équation de Kepler le convertit en position réelle.
Barycentre
Centre de masse commun autour duquel tournent réellement tous les corps d’un système.
Vis-viva
Formule v² = GM(2/r − 1/a) qui donne la vitesse sur l’orbite à la distance r.
Précession
Rotation lente de l’ellipse elle-même, orbite après orbite.
Rayon de Schwarzschild
Taille de l’horizon d’un trou noir, 2GM/c². Pour Sgr A* : 0,083 UA.
Zone habitable
Bande de distances où l’eau pourrait rester liquide en surface (approximation ici).
Résonance
Périodes dans un rapport de petits entiers (3:2, 5:3…), ce qui synchronise les attractions mutuelles.
CMB
Fond diffus cosmologique : lumière émise 380 000 ans après le Big Bang, qui sert de référentiel « au repos ».

Limites du modèle

  • Modèle à deux corps : les planètes ne se perturbent pas entre elles. Les positions JPL sont précises à quelques minutes d’arc entre 1800 et 2050, et le deviennent moins en dehors.
  • Les tailles des planètes et des étoiles ne sont pas à l’échelle (elles seraient invisibles).
  • Exoplanètes : les périodes sont mesurées, mais les positions de départ sur l’orbite sont illustratives. Alpha Centauri A–B et S2 sont en phase réelle.
  • Galaxie : les bras spiraux sont schématiques, l’orbite du Soleil est traitée comme un cercle, et l’oscillation verticale suit un modèle simple (amplitude ≈ 85 pc, période ≈ 70 Ma ; les estimations publiées vont de 60 à 90 Ma).

Sources

  1. JPL — Approximate Positions of the Planets (éléments orbitaux)
  2. GRAVITY Collaboration 2020 — précession de Schwarzschild de S2
  3. GRAVITY Collaboration 2019 — distance du centre galactique (8,178 kpc)
  4. Eilers et al. 2019 — courbe de rotation de la Voie lactée
  5. Sawala et al. 2025 — No certainty of a Milky Way–Andromeda collision
  6. ESA/Hubble 2025 — Hubble casts doubt on certainty of galactic collision
  7. Ashby & Patla 2024 (NIST) — horloges sur Mars
  8. NASA Exoplanet Archive · Agol et al. 2021 (TRAPPIST-1) · Pourbaix & Boffin 2016 (Alpha Cen)
  9. Prix Nobel de physique 2020