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Histoire de la cosmologie

Un cours offert aux étudiants de la Faculté des lettres,

de la Faculté de biologie et de médecine, de la Faculté de géosciences et environnement,

de la Faculté des sciences sociales et politiques et de la Faculté de théologie et de sciences des religions

de l’Université de Lausanne

dans le cadre de « Sciences au carré »


Prof. Georges Meylan

Laboratoire d’astrophysique Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

Site web du laboratoire et du cours : http://lastro.epfl.ch

Depuis la nuit des temps, jusqu’en 1609,

les êtres humains observent et contemplent, à l’œil nu uniquement, la Nature et l’Univers

qui les entourent

La plus grande pleine lune de 2009 (12 janvier) observée de Breil-sur-Roya, France. La Grande Réserve (c. 1832) Caspar David Friedrich (1774 – 1840) Gemäldegalerie Neue Meister, Dresden

Un ciel nocturne avec des étoiles filantes Voyageur au-dessus d’une mer de brouillard (c. 1818) Caspar David Friedrich (1774 – 1840) Kunsthalle, Hamburg

Ciel nocturne près de Big Sur, CA, avec des étoiles filantes Ciel nocturne à Monument Valley avec des étoiles filantes

Geminid Meteors over Xinglong Observatory APOD 23 Dec. 2015 Volcan El Teide Tenerife

Volcan El Teide Tenerife Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (ALMA), Chajnantor, Chile

Le disque de Nebra, la première représentation européenne du ciel tel que le voyaient les hommes du début de l’âge du bronze il y a 3600 ans, est une des principales découvertes archéologiques du XXe siècle (1999).

Une carte néolithique du ciel ? (voir « Pour la Science » No. 318 avril 2004)

Stonehenge Stonehenge, dont le nom signifie « les pierres suspendues », est un grand monument mégalithique

composé d'un ensemble de structures circulaires concentriques, érigé entre -2800 et -1100, du Néolithique à l'âge du bronze. Il est situé à 13 km au nord de Salisbury.

Stonehenge, dont le nom signifie « les pierres suspendues », est un grand monument mégalithique composé d'un ensemble de structures circulaires concentriques, érigé entre -2800 et -1100,

du Néolithique à l'âge du bronze. Il est situé à 13 km au nord de Salisbury.

Face aux mystères de la Nature, ému par sa beauté,

l’homme se pose, depuis des millénaires, les mêmes questions fondamentales

quant à la finalité de l’humanité, de l’Univers. D’où venons-nous ? Que sommes-nous ?

Où allons-nous ? Malgré les religions, malgré les sciences,

les réponses définitives manquent toujours …

D'où venons-nous ? Que sommes-nous ? Où allons-nous ?

Paul Gauguin (1848 – 1903), huile sur toile 1897-1898, 139,1 cm × 374,6 cm Musée des Beaux-arts de Boston, Boston, USA

Paul Gauguin (1848 – 1903), huile sur toile (détails) 1897-1898, 139,1 cm × 374,6 cm Musée des Beaux-arts de Boston, Boston, USA

Le dieu Chou (l'Air), sépare ses enfants le dieu Geb (la Terre) allongé, de la déesse Nout (le Ciel) femme formant un arc,

afin de dégager l'espace permettant aux êtres vivants de s’y s'installer. Mythologie égyptienne. Papyrus daté de 950 av. J.-C.

Lors de la création du monde, le dieu Geb (la Terre) est séparé de la déesse Nout (le ciel) Crypte d'Osiris - Musée du Louvre

3’000 ans plus tard

approche et représentation sont

totalement différentes :

la science remplace la mythologie

L’astronome

Johannes Vermeer

1668

Oil on canvas 51 cm × 45 cm

Musée du Louvre Paris

L’astronome (détails)

Johannes Vermeer

1668

Oil on canvas 51 cm × 45 cm

Musée du Louvre Paris

Observatoire de Cerro Paranal, ESO, Chili


Le European Southern Observatory (ESO), organisation internationale de 15 pays membres, est à l’astrophysique ce que le CERN est à la physique nucléaire.

La pleine Lune se couche derrière Paranal

Grâce à la science,

de façon parfois très maladroite, l’humanité essaie de lever

le voile étendu sur les mystères de l’Univers

Gravure sur bois, anonyme «L'atmosphère: météorologie populaire», 1888, Camille Flammarion

Camille Flammarion

1842 – 1925

grand vulgarisateur de l’astronomie

membre fondateur et premier président de

la Société astronomique de France

C. Flammarion 19e siècle

Flammarion

•  FRC :


Flammarion


Les progrès indéniables de la science permettent au grand physicien américain Steven Weinberg, prix Nobel de physique en 1979, d’écrire en 2011 que « au cours de nombreux siècles la science a affaibli l'emprise de la religion, non pas en réfutant l'existence de dieu mais en invalidant les arguments en faveur de dieu basés sur ce que nous observons dans le monde naturel. » « Over many centuries, science has weakened the hold of religion, not by disproving the existence of God but by invalidating arguments for God based on what we observe in the natural world. »

Steven Weinberg

cité par A.P. Lightman dans The Accidental Universe 2013 Vintage Books p. 11

Recul de la religion face à la science ?

« Le commencement des êtres vivants est insaisissable, nous saisissons le milieu,

car leur destruction aussi est insaisissable. Y a-t-il là sujet de pleurs ? »

Bagavad-Gita

cité par Alice Rivaz dans Traces de vie Carnets 1939-1982

une citation applicable à l’Univers ?!


VENDREDI 13:15 - 14:15 Cours 14:30 - 15:30 Cours

VENDREDI 15:30-17:00 Questions - discussions

liées aux travaux de semestre (10 pages) ou de séminaire (30 pages) qui sont des travaux écrits personnels sur un sujet choisi

par l’étudiant, le professeur et l’assistante

Julia Zumthurm - faculté des lettres - email: [email protected]


VENDREDI 13:15 - 14:15 Cours 14:30 - 15:30 Cours

VENDREDI 15:30-17:00 Questions - discussions

liées aux travaux de semestre (10 pages) ou de séminaire (30 pages) qui sont des travaux écrits personnels sur un sujet choisi


Julia Zumthurm - faculté des lettres - email: [email protected]


VENDREDI 13:00 – 14:00 Cours 14:05 – 15:05 Cours

VENDREDI 15:05-17:00 Questions – Discussions

liées aux travaux de séminaire qui sont des travaux écrits personnels sur un sujet choisi


délais de remise des travaux personnels : vendredi 3 juin 2016

Malika Sager - faculté des lettres – email : [email protected]


examen écrit portant sur la matière du cours vendredi 10 juin 2016

de 13h15 à 15h00

dans l’auditoire Internef # 263

Site web du cours : http://lastro.epfl.ch

Histoire de la cosmologie attribution des crédits

par la Faculté des lettres dans le cadre de « Sciences au carré »

3 ECTS pour le cours (28 h) validés par la réussite de l'examen de fin de semestre 3 ECTS pour le séminaire validés par la rédaction d’un rapport de 24’000 caract. 6 ECTS

European Credit Transfer and Accumulation System (ECTS)


par la Faculté de biologie et de médecine dans le cadre de « Sciences au carré »

2 ECTS pour le cours (28 h) validé par la réussite de l'examen de fin de semestre 2 ECTS pour le travail de semestre validé par un rapport écrit de 16’000 caract.



par la Faculté de géosciences et environnement dans le cadre de « Sciences au carré »




par la Faculté des sciences sociales et politiques dans le cadre de « Sciences au carré »




par la Faculté de théologie et de sciences des religions dans le cadre de « Sciences au carré »




Pour tout ce qui concerne les examens, rattrapages et acquisition de crédits

liés au cours et au séminaire contactez systématiquement

votre faculté et

la secrétaire de Sciences au carré Cécile Roy email: [email protected]


Evaluation finale du cours : retour électronique via l’Unil

retour oral ou écrit directement à [email protected]

Histoire de la cosmologie plan général du cours

01 Introduction 02 Système solaire A 03 Système solaire B

04 Des mythes à la réalité A 05 Des mythes à la réalité B 06 Copernic - Brahe - Kepler

07 Galilei - Newton - Halley - Loÿs de Cheseaux 08 Lunettes et télescopes

09 Herschel W & J 10 Etoiles et galaxies

11 Einstein RR & RG Mirages 12 Expansion de l’Univers 13 Invention du Big Bang 14 La vie dans l’Univers

Trois livres à lire pendant le semestre

Histoire et philosophie des sciences

Galilée (1564-1642) fut l'un des premiers à soumettre la connaissance de la nature

à la méthode expérimentale, en même temps qu'il montrait l'efficacité des mathématiques

pour la compréhension des phénomènes physiques. Il fut l'un des premiers aussi à tenter de faire partager ses découvertes à

ses contemporains. Galilée est ainsi devenu le symbole de la pensée scientifique

se dégageant du carcan de la tradition. Ludovico Geymonat recrée le climat

intellectuel de l'Italie du XVIIe siècle et nous entraîne sur les pas du grand précurseur de la science moderne. Il nous montre toute la complexité du personnage: le "messager

des étoiles" assailli de problèmes financiers, le savant persuadé qu'il n'est pas de preuve absolue d'une vérité scientifique, et le vieil

homme accablé par l'échec de son programme culturel, mais assistant dans le même temps

à l'inéluctable triomphe de ses idées scientifiques.

Aventure humaine et scientifique

En 1735, trois spécialistes

de l'Académie royale des sciences de Paris, Godin, Bouguer et La Condamine,

sont envoyés au Pérou pour y mesurer un arc méridien terrestre.

L'expédition doit durer quelques mois, mais c'est compter sans les rivalités politiques,

les ambitions personnelles et la faiblesse des hommes.

La bonne entente cède bientôt le pas à la jalousie et à la haine.

Puis l'Académie des sciences coupe les crédits. Forcés de vivre d'expédients,

les savants français vont se lancer dans d'incroyables aventures.

Seuls deux membres rentreront en France ; les autres mourront ou

sombreront dans la folie.

Histoire récente de la cosmologie

Le Big Bang, une des rares théories savantes ayant accédé à la consécration populaire, fait désormais

partie de notre cosmogonie moderne. Son double statut de théorie scientifique et

de récit quasi mythologique de l'origine de l'univers découle

très logiquement de sa double origine chez un mathématicien russe,

Alexandre Friedmann, et un chanoine belge, Georges Lemaître.

Viendra s'adjoindre à eux, dans les années cinquante,

l'éclectique physicien George Gamow, qui fera du Big Bang une théorie respectable.

Cette passionnante histoire, très largement ignorée de l'histoire des sciences,

est ici retracée, textes originaux à l'appui, par un astrophysicien

qui suit avec succès la voie ouverte par ces valeureux pionniers.

Histoire de la cosmologie 01 – Introduction

01.1 L’approche scientifique : réductionnisme et falsifiabilité 01.2 L’impressionnant contenu des notations scientifiques

01.3 L’impressionnant contenu des notations musicales 01.4 Quelques définitions

01.5 Les distances en astronomie 01.6 Les positions des objets astronomiques sur la sphère céleste

01.7 Les mouvements apparents des objets astronomiques sur la sphère céleste 01.8 Le spectre électromagnétique

Voir le fichier 01-Introduction.pdf sur le site web du laboratoire et du cours : http://lastro.epfl.ch

Histoire de la cosmologie 01 – Introduction

Bibliographie succincte

•  KOYRE, Alexandre. Du monde clos à l’univers infini. Paris : Editions

Gallimard, 2001. •  KRAGH, Helge S. Conceptions of Cosmos : From Myths to the Accelerating

Universe : A History of Cosmology. Oxford : OUP, 2007. •  LACHIEZE-REY, Marc. Initiation à la Cosmologie. Paris : Dunod, 2004. •  LIDDLE, Andrew, LOVEDAY, John. Oxford Companion to Cosmology.

Oxford : OUP, 2009. •  VERDET, Jean-Pierre. Une histoire de l’astronomie. Paris : Editions du

Seuil, 2010.

01.1 L’approche scientifique: réductionnisme et falsifiabilité

Les sciences physiques reposent sur des déductions logiques basées

sur les mathématiques

L’intuition n’est présente que pour être contrainte

par un processus de pensée rationnel

Reductionism

[The] workings of all the animate and inanimate matter of which we have any detailed knowledge are … controlled by

the same set of fundamental laws [of physics].

Anderson, Philip W., 1972, Science, 177, 4047, 393-396, in “More Is Different”

Toute la science se réduit à des lois de la physique mathématique

Reductionism

In fact, I do not think that most people who believe in astrology imagine that it works the way it does because of gravitation or any other agency within the scope of physics ; I think they believe that astrology is an autonomous science, with its own fundamental laws, not to be explained in terms

of physics or anything else. One of the great services provided by the discovery of the pattern of scientific explanation is to show us that there are

no such autonomous sciences.

Weinberg, Steven, 1992, in Dream of a final theory, p. 49

Tout ensemble de pensées, tel que l’astrologie, ne se rapportant pas à la logique des déductions des lois de la physique mathématique, ne constitue pas une science

Un univers en expansion accélérée Comment en arriver là ?

Paradigme du Hot Big Bang

Un exemple compliqué de déductions rationnelles

Un exemple simple de déductions rationnelles •  Arthur : J'ai trois filles. Quels sont leurs âges. •  Jules : Je ne sais pas, évidemment ! •  Arthur : Je te dis que le produit de leurs âges est égal à 36. •  Jules : Cela ne me permet pas de détermination. •  Arthur : Je te dis encore que la somme de leurs âges donne le numéro de la maison d'en face. •  Jules (après avoir regardé la maison d'en face) :

Je ne sais toujours pas. •  Arthur : Je te dis encore que l'aînée a les yeux bleus… •  Jules : Ah ! Maintenant cela marche ! Les trois âges sont...

Quels sont les âges de ces trois filles ? !

Un exemple de déductions rationnelles •  Décomposition en trois facteurs (premiers) :

1 × 1 × 36 = 36 1 × 2 × 18 = 36 1 × 3 × 12 = 36 1 × 4 × 9 = 36 1 × 6 × 6 = 36 2 × 2 × 9 = 36 2 × 3 × 6 = 36 3 × 3 × 4 = 36

Je te dis que le produit de leurs âges est égal à 36

Un exemple de déductions rationnelles •  Décomposition en facteurs premiers avec sommes des différentes possibilités :

1 × 1 × 36 = 36 avec 1 + 1 + 36 = 38 1 × 2 × 18 = 36 avec 1 + 2 + 18 = 21 1 × 3 × 12 = 36 avec 1 + 3 + 12 = 16 1 × 4 × 9 = 36 avec 1 + 4 + 9 = 14 1 × 6 × 6 = 36 avec 1 + 6 + 6 = 13 2 × 2 × 9 = 36 avec 2 + 2 + 9 = 13 2 × 3 × 6 = 36 avec 2 + 3 + 6 = 11 3 × 3 × 4 = 36 avec 3 + 3 + 4 = 10

La somme de leurs âges donne le numéro de la maison d'en face



La somme de leurs âges donne le numéro de la maison d'en face Je ne sais toujours pas.



Je te dis encore que l'aînée a les yeux bleus…



Je te dis encore que l'aînée a les yeux bleus…

Un autre exemple, beaucoup plus riche et subtile de déductions rationnelles

Le modèle cosmologique actuellement en faveur, appelé Cosmologie du Big Bang Chaud,

( Hot Big Bang Cosmology ) procède d’une démarche intellectuelle semblable :

se basant sur toutes les connaissances utiles fournies par les mathématiques, physique, l’astrophysique, la chimie.

Ce modèle est celui qui explique de la façon actuellement la plus satisfaisante (ou la moins mauvaise)

les faits observationnels acquis dont les trois principaux sont : (i) l’expansion de l’Univers (1927)

(ii) la nucléosynthèse cosmologique (1964) (iii) le fond de rayonnement diffus cosmologique (1965)

Un univers en expansion accélérée

Du caractère scientifique d’une théorie •  Le caractère réfutable (aussi appelé parfois falsifiable) est un

concept important de l'épistémologie des sciences. •  Une théorie est dite réfutable s'il est possible de consigner une

observation ou de mener une expérience qui démontre que l'affirmation est fausse (voir Karl Popper et Steven Weinberg).

•  Une proposition réfutable est réputée être scientifique tant que l'observation qui permet de la réfuter n'a pas été faite.

•  En revanche, une proposition non réfutable (irréfutable au sens logique) est considérée comme non scientifique (par exemple l’astrologie ne constitue pas une théorie scientifique).

Se méfier parfois de l’intuition

Are square A and B the same color ?

Are square A and B the same color ? Yes, they are! This is the « same color illusion »

Are square A and B the same color ? Yes, they are! This is the « same color illusion »

It illustrates that purely human observations in science may be ambiguous or inaccurate. Even such a seemingly direct perception as relative color. Similar illusions exist on the sky,

such as the size of the Moon near the horizon, or the apparent shapes of astronomical objects. The advent of automated, reproducible, measuring devices such as CCDs have made science in general and astronomy in particular less prone to, but not free of, human-biased illusions.

“La question de l’origine de l’Univers, comme la question de la chute de corps,

nécessite une réponse fournie par des méthodes scientifiques,

des observations suggérées par la théorie et

des théories vérifiées par les observations, mais ne peut être résolue

ni par la pensée pure ni par une autorité religieuse.”

Steven Weinberg , 1992, in L’Anno Galileiano

01.2 L’impressionnant contenu des notations scientifiques

Richard Chase Tolman et un ami

né à West Newton MA le 4 mars 1881 – mort à Pasadena CA le 5 septembre 1948

De la beauté des notations scientifiques L’évolution d’un système mécanique quantique en fonction du temps

« The principles of statistical mechanics », R.C. Tolman, OUP, 1938, pp. 404-405

Nobel de physique en

1983

Subrahmanyan Chandrasekhar né à Lahore le 19 octobre 1910 - mort à Chicago le 21 août 1995

De la beauté des notations scientifiques Description des perturbations gravitationnelles autour d’un trou noir

« The Mathematical Theory of Black Holes », S. Chandrasekhar, OUP, 1983, pp. 456-457

De la beauté des notations scientifiques

« Relativity, Thermodynamics and Cosmology », R.C. Tolman, OUP, 1934, pp. 404-405

Les équations de Friedman qui décrivent l’évolution dynamique de notre Univers

De la beauté des notations scientifiques Les équations de Friedman qui décrivent l’évolution dynamique de notre Univers

« Introduction à l’étude des cosmologies », H. Andrillat, Armand Colin, 1970, pp. 142-143

01.3 L’impressionnant contenu

des notations musicales

Wolfgang Amadeus Mozart né à Salzburg le 27 janvier 1756 – mort à Wien le 5 décembre 1791

(portrait peint par son beau-frère Joseph Lange en 1783)

Wolfgang Amadeus Mozart né à Salzburg le 27 janvier 1756 – mort à Wien le 5 décembre 1791

(portrait posthume peint par Barbara Krafft en 1819)

De la beauté des notations musicales

De la beauté des notations musicales

W. A. Mozart Così fan tutte Componiert im Jahre 1789-1790. Zum ersten Male aufgefürht im National-Hoftheater zu Wien am 26. Januar 1790 unter Leitung des Komponisten

Soave sia il vento

01.4 Quelques définitions

Qu’est-ce que la cosmologie ? •  Définition du Petit Robert Edition 2004

Cosmologie : 1582 : théorie (philosophique ou scientifique) de la

formation et de la nature de l’Univers. 1950 : théorie générale de la matière dans l’espace-temps.

•  Définition du Collins Edition 1980 Cosmology :

The philosophical study of the origin and nature of the Universe. The branch of astronomy concerned with the evolution and structure of the Universe.

Qu’est-ce que la cosmogonie ? •  Définition du Petit Robert Edition 2004

Cosmogonie : 1585 : théorie (scientifique ou mythique) expliquant la

formation de l’Univers ou de certains objets célestes. •  Définition du Collins Edition 1980

Cosmogony : The study of the origin and development of the Universe

or of a particular system in the Universe, such as the solar system. A theory of such an origin or evolution.

Qu’est-ce que l’Univers ?

•  Définition du Petit Robert Edition 2004 Univers : ensemble de tout ce qui existe, considéré selon les philosophes comme la totalité des choses créées, la totalité de êtres, l’ensemble des choses perçues, compre-nant ou non la conscience humaine.

•  Définition du Collins Edition 1980

Universe : the agregate of all existing matter, energy, and space.

Le contenu de l’Univers

les atomes, les photons, toutes les particules de toute sorte, la matière sombre et l’énergie sombre

•  des planètes et des étoiles •  des amas d’étoiles •  des galaxies •  des amas de galaxies •  des amas d’amas de galaxies •  des structures à grandes échelles •  du gaz et des poussières

Soho MDI Continuum Le Soleil raie H alpha SOHO ~ 6563 Å

rayon = 700’000 km à 150’000’000 km de la Terre

Soho MDI Continuum

Le Soleil MDI continuum SOHO ~ 6768 Å


Pendant des millénaires, seules les six planètes visibles à l’œil nu sont

connues

Pendant des millénaires, seules les six planètes visibles à l’œil nu sont connues ! Beta du Cygne = Albireo est une étoile double

Un amas ouvert tel que les Pléiades contient quelques centaines d’étoiles

L’amas globulaire 47 Tucanae

Un amas globulaire contient quelques millions d’étoiles

Un amas globulaire tel que ω Centauri contient quelques millions d’étoiles

WFI camera at the 2.2-m MPG-ESO telescope at La Silla Observatory.

La constellation d’Orion

La constellation d’Orion La nébuleuse d’Orion vue par le Hubble Space Telescope

NASA/ESA

La nébuleuse d’Orion vue par le WFI du ESO-MPI Telescope

ESO

Messier 31 ≡ galaxie d’Andromède

~ 200 milliards d’étoiles

Messier 81 NGC 1132 HST NASA/ESA

Une galaxie cD, elliptique géante

Abell 1689 HST ACS zamas = 0.182 σa= 1848 ± 166 km s-1 Très fortes indications de la présence de grandes quantités de matière sombre

Image HST profonde tint = 13.2 heures

Un amas de galaxies

Notre univers est en expansion à partir d’une phase dense et chaude qui a eu lieu voilà environ 14 milliards d’années

Les observations des objets proches et lointains dévoile la formation et l’évolution des galaxies séparateur

HUDF: Hubble Ultra Deep Field (March 2004) Image la plus profonde de l’univers HST/ACS Filtres B,V,I + 400 orbites

obtenue avec WFC3/IR en août 2009 après une pose de 173’000 s = 48 h = 2 j

Image IR la plus profonde de l’Univers

obtenue avec WFC3/IR en août 2009 après une pose de 173’000 s


Image IR la plus profonde de l’Univers cinq galaxies parmi les plus distantes dans l’Univers


trois des cinq galaxies parmi les plus distantes dans l’Univers

Image IR la plus profonde de l’Univers deux des cinq galaxies parmi les plus distantes dans l’Univers

Hubble eXtreme Deep Field (XDF)

This following image, called the Hubble eXtreme Deep Field (XDF), combines Hubble observations taken over the past decade of a small patch of sky

in the constellation of Fornax. With a total of over two million seconds of exposure time, it is the deepest image of the Universe ever made,

combining data from previous images including the Hubble Ultra Deep Field (taken in 2002 and 2003)

and Hubble Ultra Deep Field Infrared (2009). The image covers an area less than a tenth of the width of the full Moon,

making it just a 30 millionth of the whole sky. Yet even in this tiny fraction of the sky, the long exposure reveals about 5500

galaxies, some of them so distant that we see them when the Universe was less than 5% of its current age.

The Hubble eXtreme Deep Field image contains several of the most distant objects ever identified.

Credit : HST NASA, ESA, Sept. 2012





Distances in the Hubble eXtreme Deep Field This image separates out the Hubble eXtreme Deep Field by the distances of objects within it.

Left : objects whose light has taken less than 5 billion years to reach us. Centre : objects whose light has taken 5 to 9 billion years to reach us. Right : objects whose light has taken more than 9 billion years to reach us.

The newly discovered galaxy,

named MACS0647-JD,

is very young and only a tiny fraction

of the size of our Milky Way.

The object is observed

420 million years after the Big Bang, when the Universe was 3 percent of its present age of 13.7 billion years.

NASA/ESA Nov

2012

The farthest known galaxy in the Universe Premiers résultats de WMAP3 mai 2006

Derniers résultats de WMAP9 déc. 2012

avant le satellite Planck après le satellite Planck décembre 2012 mars 2013

Premiers résultats de Planck Mars 2013

avant le satellite Planck après le satellite Planck décembre 2012 mars 2013

Premiers résultats de Planck Mars 2013

5% 27% 68%

01.5 Les distances en astronomie

Les distances en astronomie les unités de base pour les distances sont

l’unité astronomique [UA] et le parsec [pc]

La distance Terre – Soleil = 150 millions de km 1 rayon solaire = 700 000 km

Vitesse de la lumière = 300’000 km s-1

1 al = 9,5 1012 km

Un parsec correspond à la distance depuis laquelle le demi-grand axe

de l’orbite terrestre est vu sous un angle de 1 seconde d’arc.

1 pc = 3,085’677’581’282 = 3,1 1013 km

1 pc = 206’265 UA 1 pc = 3,26 al

1 UA = 1,495 978 706 91 × 1011 m

1 pc = 206264,8062 × 1.495 978 706 91 × 1011 m

1pc = 3,085 677 581 282 × 1016 m

Les distances en astronomie les unités de base pour les distances sont

l’unité astronomique [UA] et le parsec [pc]

Une seconde d’arc : une pièce de un franc vue de 4,7 km

1 seconde d’arc = 1"

4,7 km

Plan de Lausanne

EPFL cathédrale

La distance relative entre le Soleil et la Terre

10 cm

1 mm


.

1 mm

10 cm

.


10 m

.

10 cm

1 mm

.

Les distances relatives entre les étoiles sont énormes

10 cm

10 cm

10 cm

Les distances relatives entre les étoiles sont énormes

~ 3000 km 10 cm

Proxima du Centaure : l’étoile la plus proche du Soleil

Proxima du Centaure : l’étoile la plus proche du Soleil

α

γ

δ

β

La Croix du Sud

α

β Le Centaure

Proxima du Centaure : l’étoile la plus proche du Soleil à 1,3 pc = 4,3 al

European Southern Observatory

Headquarters extension 2014

Messier 31 ≡ NGC 224 ≡ galaxie d’Andromède




M 32 ≡ NGC 221

M 110 ≡ NGC 205 en 1925, 1926, 1929 (NGC6822, M33, M31) Hubble fait passer ces 3 objets du rang de nébuleuses locales à celui de systèmes stellaires extragalactiques « Cela confirme la théorie des Univers-îles »



M 32 ≡ NGC 221

M 110 ≡ NGC 205

diamètre = 50 kpc = 50’000 pc = 1’600’000’000’000’000’000 km = 1.6 1018 km

1 pc = 3.26 al = 31’000’000’000’000 km = 3.1 1013 km


Un ciel nocturne avec des étoiles filantes

distance des étoiles filantes : environ 10 à 20 km

La plus grande pleine lune de 2009 (12 janvier) observée de Breil-sur-Roya, France.

distance de la Lune : environ 380’000 km = 1,26 sl Soho MDI Continuum Le Soleil raie H alpha SOHO ~ 6563 Å


distance du Soleil : environ 150’000’000 km = 8,33 ml

Vénus, Jupiter et la Lune observés depuis Paranal Chili en décembre 2009 Vénus, Jupiter et la Lune observés depuis Paranal Chili en décembre 2009

Vénus à ~ 15 ml

Jupiter à ~ 1 hl

Lune à 1,26 sl

distance des planètes : d’une fraction à plusieurs dizaines de UA 1 UA = 150’000’000 km

Comète Lovejoy observée le 22 déc. 2011 depuis Paranal Chili La Voie Lactée et les Nuages de Magellan sont également visibles

Comète à ~ 30 ml

GNM à ~160’000 al

PNM à ~ 200’000 al

Voie lactée Centre galactique à 28’000 al

distance des étoiles : de quelques al à quelques milliers al 1 al ~ 63’000 UA



Comète à ~ 30 ml

GNM à ~160’000 al

PNM à ~ 200’000 al

Voie lactée Centre galactique à 28’000 al

distance des galaxies : de quelques 105 al à quelques 1010 al 1 al ~ 63’000 UA

~ 10’000 galaxies des relativement proches

aux plus

~ 10’000 galaxies des relativement proches

aux plus lointaines

841 orbites = 53 jours d’exposition

l’Univers : véritable machine à remonter le temps

conséquence de la vitesse finie de la lumière

Observer des objets de plus en plus lointains revient à les considérer

tels qu’ils étaient en des temps de plus en plus reculés

01.6 Les positions

des objets astronomiques sur la sphère céleste

Les positions en géographie

La position d’un point à la surface de la Terre est définie par deux coordonnées : la longitude et la latitude

La position d’un point sur la sphère céleste est définie par deux coordonnées : L’azimut a et la hauteur h ou la distante zénithale z

Les positions en astronomie dépendantes du lieu d’observation et du temps

Les positions en astronomie indépendantes du lieu d’observation et du temps

La position d’un point sur la sphère céleste est définie par deux coordonnées : L’ascension droite α ou l’angle horaire H et la déclinaison δ

L’ascension droite est mesurée à partir du point vernal γ


Le point vernal γ est l’intersection entre l’équateur céleste et l’écliptique


Point vernal





Une constellation est un groupe apparent d’étoiles qui représente un aspect reconnaissable. Les étoiles d’une constellation (ici la Grande Ourse) peuvent en réalité se situer

à des distances considérablement différentes de la Terre. Une constellation n'est donc qu’un schéma induit par la projection des positions sur la sphère céleste.

La constellation de la Grande Ourse



Les positions réelles des étoiles formant la constellation d’Orion

(de 65 à 215 al) La constellation d’Orion Gravure de Johann Bayer Uranometria (1661)

The stars of a summer night and the stars of a winter night. Both pictures, taken in late Dec 2009, have similar fields of view around the familiar constellation of Orion

as seen from the southern and northern hemispheres of planet Earth.

Bruny Island, Tasmania, Australia Alborz Mountains of Northern Iran

La constellation du Cygne

La constellation du Cygne

Gravure de Johann Bayer Uranometria (1661)

Globe céleste de Gérard Mercator (1512 – 1594) La sphère des étoiles fixes est vue de l’extérieur

L’axe de rotation du globe passe à travers les pôles nord et sud de la sphère céleste. 50 constellations sont représentées.

Les 1022 étoiles de l’Almageste de Ptolémée sont toutes dessinées.




Constellations: Centaurus, Lupus, Scorpius, Libra




Constellations: Virgo, Boötes, Corona Borealis

Carte des constellations du ciel de l’hémisphère boréal total d’environ 6000 étoiles visibles à l’œil nu dans les deux hémisphères

01.7 Les mouvements apparents des objets astronomiques

sur la sphère céleste

Révolution de la Terre autour du Soleil

La Terre tourne autour du Soleil en un cercle presque parfait. De plus, l’axe de rotation de notre planète est incliné sur son orbite et conserve cette inclinaison tout au long de son orbite (gyroscope).

Révolution de la Terre autour du Soleil

La Terre tourne autour du Soleil en un cercle presque parfait. De plus, l’axe de rotation de notre planète est incliné sur son orbite et conserve cette inclinaison tout au long de son orbite (gyroscope).

une ellipse presque circulaire

Ensoleillement de la Terre

Le Soleil éclaire une moitié de la Terre,

mais cette moitié change continuellement car notre planète tourne

sur elle-même en un jour. La Terre est en rotation

autour de son axe nord-sud et effectue une révolution autour du Soleil en un an.

Solstices d’été et d’hiver

Au cours de l’année, le Soleil ne se lève et ne se couche pas exactement au même endroit.

Il atteint ses positions extrêmes de lever et de coucher les jours de solstice.

Solstices d’été et d’hiver

Comme l’axe de rotation de la Terre est incliné, les rayons du Soleil nous parviennent avec des inclinaisons différentes suivant la position de la Terre par rapport au Soleil. En été, le pôle Nord est penché vers le Soleil et l’angle entre le zénith (le point situé juste au-dessus de nos têtes) et les rayons du Soleil est minimal. Comme la Terre tourne sur elle-même, notre

position au fil des heures change : elle est notée ci-dessus par le cercle rouge. On remarque que nous passons alors peu de temps du côté nuit, mais que les journées sont au contraire très

longues (voir histogramme jaune/noir ci-dessus). En hiver, la situation s’inverse. Il faut également noter que les saisons dans l’hémisphère Nord et l’hémisphère Sud sont inversées. En effet, lorsque le pôle Nord est penché vers le Soleil, c’est l’été pour nous

mais lorsque c’est l’hiver pour nous, c’est au tour du pôle Sud d’être penché vers le Soleil : c’est alors l’été en Australie !

Les phases de la Lune

Le Soleil est la seule source de lumière du Système solaire. A tout instant, il éclaire une moitié de la Terre et une moitié de la Lune.

Toutefois, la partie éclairée de la Lune n’est pas toujours observable. Sa visibilité dépend des positions exactes de la Lune et du Soleil par rapport à la Terre.

Si la Lune se trouve entre le Soleil et la Terre (Nouvelle Lune), on ne pourra rien en voir depuis la Terre puisque c’est le côté non éclairé qui nous fait face. Au contraire, l’ensemble de la face éclairée est visible depuis nos contrées

si la Lune se trouve derrière la Terre (Pleine Lune). Dans les autres cas, seule une portion sera observable.

Les positions déterminent également les moments des levers et couchers. Au premier et dernier quartiers, l’ensemble Lune-Terre-Soleil forme un angle droit,

et les phénomènes liés à la Lune seront décalés d’un quart de jour par rapport au Soleil. Lors de la pleine Lune, la Lune se trouve exactement dans la direction opposée au Soleil

et leur lever et coucher respectif sont donc décalés d’un demi-jour.

Les phases de la Lune Les phases de la Lune

Les éclipses de Soleil et de Lune

Les éclipses se produisent quand la Terre, le Soleil et la Lune sont parfaitement alignés. Cela n’arrive que rarement car l’orbite de la Lune est inclinée

par rapport au plan de l’orbite de la Terre autour du Soleil.

Total solar eclipse 22 July 2009 Iwo – Shima Japan

•  NAOJ

Eclipse totale de Soleil, dévoilant la couronne solaire

Les éclipses totales de Soleil

Eclipse total de Soleil du 11 août 1999

Les éclipses partielles de Soleil

Eclipse partielle de Soleil du 15 janvier 2010 et le temple de Poséidon, Cap Sounion , Grèce

Les éclipses annulaires de Soleil

Eclipse annulaire de Soleil du 15 janvier 2010

Les éclipses de Soleil et de Lune

Les éclipses se produisent quand la Terre, le Soleil et la Lune sont parfaitement alignés. Cela n’arrive que rarement car l’orbite de la Lune est inclinée

par rapport au plan de l’orbite de la Terre autour du Soleil.

The shadow of the moon covers part of Earth on August 11, 1999 (Mir space station). This shadow raced across the Earth at a speed of about 2000 km/h.

Total solar eclipse observed from MIR space station

Les éclipses de Soleil

Eclipse total de Soleil du 11 août 1999

Les éclipses de Lune

Eclipse lunaire partielle durant la pleine lune du 31 décembre 2009

Les positions extrêmes de lever et de coucher de la Lune, ou points d’arrêt majeurs et mineurs (major & minor standstills), sont atteints une fois tous les 18,6 ans. Les déclinaisons

(distances en degrés par rapport à l’équateur, comptés positivement vers le Nord et négativement vers le Sud) de la Lune et du Soleil sont aussi notées.

Les positions extrêmes de lever et de coucher de la Lune, ou points d’arrêt majeurs et mineurs (major & minor standstills), sont atteints une fois tous les 18,6 ans. Les déclinaisons

(distances en degrés par rapport à l’équateur, comptés positivement vers le Nord et négativement vers le Sud) de la Lune et du Soleil sont aussi notées.

abc

Le mouvement des constellations de Cassiopée et de la Grande Ourse au cours de la nuit. Précisons que dans l’hémisphère Sud, il existe un équivalent à la Grande Ourse,

la constellation de la Croix du Sud, mais qu’il n’existe pas d’étoile Polaire australe. une pose photographique révèle la rotation terrestre à travers les mouvements des étoiles

Volcan El Teide Tenerife

On ne voit pas toute l’année les mêmes constellations car le Soleil nous en cache certaines à chaque instant.

abc

Jour sidéral et période sidérale de la Lune

abc

Puisque la ligne zénithale est perpendiculaire à l’horizon, la hauteur de la polaire par rapport à l’horizon vaut la latitude géographique λ,

soit la hauteur du lieu par rapport à l’équateur.

Le mouvement des étoiles dans le ciel diffère selon l’endroit où l’on se trouve sur Terre.

⁄

01.8 Le spectre électromagnétique

Toutes les observations astrophysiques nous proviennent directement ou indirectement

du spectre électromagnétique par la détection de photons (particules fondamentales du champ électromagnétique)

faiblement ou fortement énergétiques

Depuis le 12 février 2016, en addition des ondes électromagnétiques, nous pouvons également

observer l’Univers grâce aux ondes gravitationnelles http://www.caltech.edu/gwave

01.8 Le spectre électromagnétique

Toutes les observations astrophysiques nous proviennent directement ou indirectement

du spectre électromagnétique par la détection de photons (particules fondamentales du champ électromagnétique)

faiblement ou fortement énergétiques

Depuis le 12 février 2016, en addition des ondes électromagnétiques, nous pouvons également

observer l’Univers grâce aux ondes gravitationnelles http://www.caltech.edu/gwave

Le spectre électromagnétique Le spectre électromagnétique Le spectre électromagnétique est la décomposition du rayonnement électromagnétique selon ses différentes composantes en termes de fréquence (ou période), d'énergie des

photons ou encore de longueur d’onde associée, les quatre grandeurs que sont ν (fréquence), T (période), E (énergie) et λ (longueur d’onde) étant liées deux à deux par : ! la constante de Planck h (approx. 6,626069×10-34 J�s) et ! la vitesse de la lumière c (exactement 299 792 458 m/s), selon les formules : ! E = h ν = h/T pour l’énergie transportée par le photon et ! c = λν = λ/T pour le déplacement dans le vide du photon, d’où aussi : ! E = h c/λ

La nébuleuse d’Orion vue par le Hubble Space Telescope La Nébuleuse d’Orion vue en longueurs d’ondes IR par le télescope VISTA à grand champ de l’ESO

La Nébuleuse d’Orion (détails) vue en longueurs d’ondes IR par le télescope VISTA de l’ESO

La Nébuleuse d’Orion comparaison entre longueurs d’ondes visibles et IR par le télescope VISTA de l’ESO

longueurs d’ondes visibles longueurs d’ondes IR

La Nébuleuse d’Orion comparaison entre longueurs d’ondes visibles et IR par le télescope VISTA de l’ESO


La Nébuleuse d’Orion (détails) comparaison entre longueurs d’ondes visibles et IR par le télescope VISTA de l’ESO


Images dans les longueurs d’ondes visibles (HST vraies couleurs) et radios (VLA fausses couleurs)

Harris false colors

Harris false colors

Un spectre d’étoile du violet (400 nm = 4000 Å) au rouge (800 nm = 8000 Å)

Spectre à basse résolution

Introduction à l’astrophysique: astronomie classique

Un spectre d’étoile du violet (400 nm = 4000 Å) au rouge (800 nm = 8000 Å)

Spectre à haute résolution


Le European Southern Observatory (ESO), organisation internationale de 15 pays membres, est à l’astrophysique ce que le CERN est à la physique nucléaire.

La pleine Lune se couche derrière Paranal

réfraction Réfraction ≈ 35 ' près de l’horizon ≈ un diamètre solaire ≈ un diamètre lunaire

Le Soleil se couche derrière Paranal en laissant voir un rayon vert

Sujets de semestres et séminaires Travail écrit personnel à rendre le vendredi 30 mai 2014

•  Nicolas Copernic •  Tycho Brahe •  Johannes Kepler •  Galileo Galilei •  Isaac Newton (+ Voltaire) •  Jean-Philippe Loÿs de Cheseaux •  William et John Herschel •  Alexandre Friedmann •  Georges Lemaître •  Edwin Hubble •  Fritz Zwicky •  Albert Einstein

•  Astronomie (?) mégalithique •  Stonehenge •  Dolmens et menhirs •  Egypte, Mésopotamie, Grèce •  Amérique, Chine •  Les globes de Mercartor •  NEOs ou géocroiseurs •  Comètes et astéroïdes •  Les planètes Neptune et Uranus •  La nucléosynthèse dans les étoiles •  Nébuleuses ou galaxies •  La vie dans l’Univers

Cette liste n’est pas exhaustive ; toute variante peut être discutée le vendredi après le cours entre 15h30 et 17h ou lors d’une entrevue

à fixer par courriel à [email protected] et [email protected]

histoire de la cosmologie - unigeobs...paul gauguin (1848 – 1903), huile sur toile (détails)...

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