cours 1 : la matière dans l'univers

La matière dans l’UniversPartie 1 : Origine de la matière

Caractérisation de la matière

Mendeleiev Dimitri Ivanovitch (1834-1907)

Éléments des Terres Rares,ETR(Rare-Earth Elements,REE)

Les éléments : 90 naturels (de 1 à 92 protons)



Les Isotopes

Eléments ayant les mêmes propriétés chimiques portent le même nom.

Ils se différencient par leur masse pas le même nombre de neutrons.

Les isotopes instables marqueurs du temps.Les isotopes stables

marqueurs des phénomènes à basse température (<300°C) Radioactivité a :


Les Isotopes

La proportion d’isotopes instables qui disparaît est toujours la même

N = nombre d’atomes qui se désintègrent en fonction du tempsl = constante de désintégration

N = nombre d’atomes radioactifs restant à t No = nombre d’atomes radioactifs initial (à to)

LA PERIODE RADIOACTIVE ou la demi-vie : T

Temps pour que la moitié des atomes radioactifsse soient désintégrés


Les Isotopes

Je veux étudier la formation d’une chaîne de montagne, donc dater les roches qui s’y trouvent. Quels éléments vais-je analyser ?

Datation au Carbone 14 pour l’extinction des dinosaure ?

Non mais allo quoi !

Chimie de l’Univers

Pourcentage en masse dans les roches continentales


H, He, O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K et Mg.

Pourquoi une telle parcimonie dans l’utilisation des éléments chimiques pour «construire» la Terre et les autres planètes du Système Solaire ?


Les 10 éléments utilisés sont les plus abondants dans le système solaire.


L’univers, 15 Ga.

Nucléosynthèse interstellaire.

Nucléosynthèse stellaire.

Nucléosynthèse primordiale.

Les étoiles.

Nuages de gaz.

Expliquer la courbe d’abondance des éléments revient à répondre à cette question :

Origine des éléments chimiques

La physique que nous connaissons fonctionnerait

jusqu’à 10-43s (temps de Planck) après le Big Bang

Origine des éléments chimiques : nucléosynthèse primordiale

La physique que nous connaissons fonctionnerait

jusqu’à 10^-43s (temps de Planck) après le Big Bang

wikipedia

•Théorie unifiée du contenu matériel et de l’évolution de l’Univers

•Expansion de l’Univers (refroidissement, diminution de la densité)

Le Big-Bang : une théorie cosmologique


Avec l’expansion diminution T° de l’univers diminution énergie des particules découplage successif des différentes forces.A partir d’une «soupe» de quarks et d’électrons, formation des différentes particules (hadrons, noyaux, atomes et molécules) dans les étapes suivantes….

A 10-6 s, confinement des quarks

hadrons = P et N (nucléons).


3 min (T° = 108 K) < nucléosynthèse primordiale < 30 min (T° = 107 K°).P + N noyaux 2H2H + P + N noyaux 4He


JP Bourseau.

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10-6 s 3 min 30 min.

10-43 s

À 10-33 s : inflation univers x 10 50

0,3 à 1 Ma

Depuis 1 Ma univers x 1000

Vers 4000 K

Confinement des quarks


La Nucléosynthèse StellaireLes étoiles se forment.

Univers vide & froid MAIS Étoiles denses et chaudes !

La fusion nucléaire peut redémarrer… dans les étoilesSynthèse des

éléments

=

F(Densité, Température)

=

F(masse de l’étoile)Origine des éléments chimiques : nucléosynthèse stellaire

Le diagramme Hertzsprung (danois)-Russel (américain) représente les étoiles en fonction de leur Température de surface et de leur luminosité. Sa luminosité est directement dépendante de la masse de combustible.La Température de l'étoile est équivalente à sa couleur.

Origine des éléments chimiques : nucléosynthèse stellaire

Une étoile rouge est

A. JeuneB. VieilleC. GrosseD. Petite

La vie adulte : la séquence principale.

A un moment, l’effondrement gravitationnel cesse au niveau de l’étoile.

P gaz au coeur de l'étoile + P radiation compensent l'effet de la gravitation.

Pg + Pr = G

équilibre dynamique et état stable de l’étoile.

se situe sur la séquence principaledu diagramme de Hertzsprung-Russel.

Elle va y passer environ 90 % de sa vie

H He.


Le déclin : géantes rouges et naines blanches.

Quand l’étoile est à court de combustible.

Pg + Pr < G

autour du coeur, une coquille d’H va se contracter

sa T° augmente déclenche fusion rapide de H

gonflement des couches périphériques.

Diamère de l’étoile x 200 baisse T° de surface

se traduit par un décalage du rayonnement vers le rouge

géante rouge.


Betelgeusegéante rouge de la constellation d’OrionHubble NASA.


Fusion de HS’arrête lorsqu’on

a consommé 10% du H

Géante rouge : Fusion de He-> C,N,O,F,Ne

M<0.07 MsNaine brune

Supergéante : Fusion de C, O

-> éléments jusqu’au Fe

M<8~10 MsNaine blanche


L'enveloppe externe de l'étoile est arrachée par les vents stellaires.

nébuleuse planétaire.

Dumbell, ESO.

NGC 3132, Hubble.

Stingray, la plus jeune nébuleuse planétaire connue, Hubble.


Les couches externes continuent à s'effondrer

la masse du coeur continue d'augmenter mais pas assez d'énergie (fusion Fe impossible) pour stopper G.

Quand sa masse = masse critique de 1,4 MS (= Chandrasekhar)

il s'effondre brutalement sur lui-même en entraînant les couchesexternes énergie mécanique énorme qui fait exploser l’étoile

(matière éjectée à 10 000 km/s).

phénomène le plus lumineux connu = la supernova.

Cette explosion fournit suffisamment d’Energie

pour déclencher à nouveau des réactions de fusion dans le cœur.

création d'éléments plus lourds que Fe.

Origine des éléments chimiques : nucléosynthèse interstellaire

La supernova de 1054 qui a brillé en plein jour pendant plusieurs semaines nous a laissé cette splendide nébuleuse dite «du Crabe» du nom de la constellation où on peut la voir.

Nébuleuse du Crabe, ESO.Une supernova = événement rare (1/100 ans)

SN1999, NASA.

Origine des éléments chimiques : nucléosynthèse interstellaire

La supernova SN1999 a dégagé une puissance équivalent à 50 000 soleils dans la gamme des rayons X.

Une supernova peut briller plus que la galaxie qui l'abrite.

En résumé, les éléments chimiques ont 3 origines, qui expliquent la variabilité

des abondances.

Les éléments chimiques sont formés

A. Au moment du big bang uniquement

B. Au moment de la formation du soleil

C. Au coeur des étoilesD. Dans le noyau des

planètesE. Dans les nébuleuses

D’après Odin G.S., CRAS, 318 : 59-71, 1994.

propose d’utiliser la constance de désintégration pour mesurer le temps.

Le Ga devient l’unité de mesure de l’âge de la Terrevsle Ma (Lord Kelvin).

Cuvier, Brongniart et d’Orbigny développent la paléontologie stratigraphique.

D’Orbigny est le créateur des étages.

Georges Cuvier (1769-1832)

Ernest Rutherford (1871-1937)


Scénario pour des étoiles < 6 MS.

arrêt processus quand He épuisé

noyau de C devient inerte

ralentissement processus de fusion

l’étoile s'éteint.

M étoile < 6 MS.

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