les révolutions de notre vision de l’univers au xx ème siècle

Les Révolutions de notre vision de l’Univers

au XXème Siècle

Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Plan 1

Point de départ et Contexte :

1543-1900 Consolidation de la révolution de Copernic-Galilée-Newton Fin du géocentrisme :

* La Terre tourne autour du Soleil et n’est pas le centre du monde ; elle n’est qu’une planète parmi d’autres

* Le Soleil n’est qu’une étoile parmi des millions d’autres* Il y a peut-être d’autres mondes habités ?

Invention et triomphes de la physique classique, * des lois de la mécanique (Galilée-Newton : 17e Siècle)* à celles de l’électricité, optique, thermodynamique ( 19e Siècle)

Moteurs des découvertes astronomiques du XXe Siècle - Fantastiques bonds en avant technologiques - Révolutions quantique (microphysique) et relativiste de la physique

Cinq percées majeures

Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Plan 2

Cinq Percées majeures :

• Emergence de la notion de galaxies 1920

• Expansion de l’Univers modèle du Big Bang 1930 – 1960 ….

• Compréhension du fonctionnement des étoiles et de la fabrication des atomes des éléments chimiques 1940 - 1950

• Révélation du monde des très hautes énergies et des objets extrêmes : supernovae ; quasars-trous noirs, etc. 1915 - 1960

• Exploration du Système Solaire 1960 …. Découverte des exo-planètes. 1995

Questions pour le XXIème Siècle

Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Point de départ

REPERES SUR L’ASTRONOMIE DE 1900 (cf. livres de C. Flammarion)

1543-1900 Consolidation de la révolution de Copernic-Galilée-Newton :

• Fin 16e et 17e siècles, l’astronomie est reine et au cœur de : - l’abandon du géocentrisme (et de l’anthropocentrisme) et du système de pensée d’Aristote - la naissance de la physique (Galilée et Newton)

• 18e et 19e siècles, l’astronomie accompagne les triomphes de la science: math, physique… mais sur un mode relativement mineur et sans rupture majeure de la vision du Monde

Certes :

- Raffinements exquis de la mécanique du Système Solaire découverte de Neptune

- Acquits majeurs de l’exploration du monde des étoiles et de leur physique

- Questions relativement bien posées sur les planètes, comètes, la pluralité des Mondes …

mais inévitable myopie, impasses et surprenantes limitations …

Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Point de départ REPERES SUR L’ASTRONOMIE DE 1900

mais inévitable myopie, impasses et surprenantes limitations …

Aucune idée des réelles échelles de dimensions, temps et énergies de l’Univers

• Physique limitée impossible de : - comprendre la source d’énergie des étoiles et l’âge de la Terre et donc du Soleil - a fortiori d’imaginer les objets les plus extrêmes de l’astronomie actuelle - aucune idée des échelles d’énergie et de temps de l’Univers

• Notion de galaxie pas encore établie dimension apparente de l’Univers un million de fois plus petite que la réalité

Conception de l’Univers terriblement indigente par rapport à la nôtre

Prodigieuses progression des techniquesTélescopes et optique Des plaques photo aux énormes matrices de détecteurs numériques

Les moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle

Les grands sites astronomiques de l’an 2000 : VLT/ESO Paranal Chili

Les grands sites astronomiques de l’an 2000 : Mauna Kea Hawaï


Ouvertures de nouveaux domaines spectraux : - Radioastronomie


L’interféromètre submillimétrique ALMA Chajnantor Chili vers 2012


Ouvertures de nouveaux domaines spectraux : - Radioastronomie - Espace : * Télescopes affranchis des effets de l’atmosphère terrestre

infrarouge, UV, rayons X, rayons gamma


Télescopes et sondes spatiaux

Hubble Herschel 2007

Planck 1967 Rosetta 2004- Darwin vers 2015

Prodigieuses progression des techniquesTélescopes et optique Des plaques photo aux énormes matrices de détecteursnumériques

Ouvertures de nouveaux domaines spectraux : - Radioastronomie - Espace : * Télescopes affranchis des effets de l’atmosphère terrestre

infrarouge, UV, rayons X, * Sondes d’exploration du Système Solaire


1. Prodigieuses progression des techniquesTélescopes et optique

Des plaques photo aux énormes matrices de détecteurs numériques

Ouvertures de nouveaux domaines spectraux : - Radioastronomie - Espace : * Télescopes affranchis des effets de l’atmosphère terrestre infrarouge, UV, rayons X,

* Sondes d’exploration du Système Solaire

Informatique Manipulations d’énormes masses de données, analyse raffinée du signal

Les grands moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle


2. Les révolutions de la physique du début du XXe Siècle

A. Physique quantique : théorie du monde microscopique atomes, noyaux, molécules, photons, particules élémentaires …

•A permis la compréhension très complète du fonctionnement et de l’évolution des étoiles (1940-1950)

• Sous-jacente à toute l’astrophysique moderne : compréhension des astres, de leur histoire


2. Les révolutions de la physique du début du XXe Siècle

B. Relativité : physique des hautes énergies et de la gravitation

Relativité « restreinte » (1905): • Transformations des distances et du temps aux vitesses proches de celle de la lumière ; E = m c²• Cadre indispensable à la compréhension des énormes énergies astrophysiques

Relativité générale (1915) : • Théorie relativiste unifiée de l’espace et de la gravitation• Applications cruciales à la cosmologie et aux trous noirs

1. Physique et évolution des étoiles (1940-1950) synthèse des atomes des éléments chimiques

Monument de la théorie détaillée des étoiles :

• Machines thermiques assez simples (boules de gaz très chaud)

• Fournaises nucléaires du coeur (10 millions de degrés) Réactions nucléaires régulées (4 H He) Synthèse des éléments chimiques (3 He C, etc.)

• Modèles raffinés d’ensemble,

• Compréhension détaillée de l’évolution et de l’âge des étoiles


Massive Star Structure

Schéma d’une étoile très massive près d’exploser en supernova

Diagramme HR (Luminosité/Température de surface)

PuissanceLumineuse

1 000 000 000

1 000 000

1 000

1

Supergéantes

Géantes

Soleil

état norrmal

Naines blanches

VIE ET MORT DES ETOILES

• Formation rapide par effondrement gravitationnel d’une condensation de gaz interstellaire

Les étoiles massives sont hyperlumineuses et ont une courte durée de vieLes petites étoiles vivent très longtemps Naines brunes, étoiles avortées trop petites pour amorcer la combustion de H

•« Explosion » finale très violente (supernovae) ou douce (nébuleuses)

• « Résidu» compact (naine blanche) ou très compact (étoile à neutrons)

• Longue période stable bien régulée de combustion de l’hydrogène (~9 milliards d’années pour le Soleil)• Enflure en géante rouge

Vie d’une étoile de la masse du Soleil

Œil-de-ChatHélice

Lion Givré V838…

Nébuleuses« planétaires »

Vue récente de la coquille autour de la supernova de 1987

Nébuleuse du Crabe

Bulle filamenteuseen expansion autourd’un pulsar(étoile à neutrons)

Créée par une supernovaobservée en 1064


2. Emergence de la notion de galaxies, de leur milieu interstellaire et de leur monde

• Acceptée très tard, seulement vers 1920 Auparavant l’univers des astronomes était limité à ce qu’on sait maintenant être notre galaxie, la Voie Lactée

• Briques élémentaires de l’Univers

• La Voie Lactée

• Systèmes en évolution, différentes classes

Notre Galaxie, la Voie LactéePrototype des galaxies spirales

Carte de visite :

• 100-200 milliards d’étoiles liées par les forces d’attraction gravitationnellepratiquement ponctuelles

• Rotation d’ensemble (~100 km/s période quelques 100 millions d’années)Disque très très plat, surtout le gazBras spiraux lumineux (jeunes étoiles)

•~10% de gaz (surtout hydrogène)(+~0.1% de poussières qui masquent complètement les régions internes du disque)

• Mystérieuse matière noire, largement plus massive que les étoiles

M51

Andromède

Galaxies spirales

La Voie Lactée vue en infrarougeLe rayonnement infrarouge est peu absorbé par les poussières et donne une imagefidèle de la répartition des étoiles lumineuses en infrarouge et de leur concentrationdans le disque et le bulbe galactiques autour du centre

Galaxies, mondes en évolution

• Jeu complexe d’interaction entre les étoiles et le milieu interstellaire

Formation d’étoiles à partir du gaz tant qu’il y en a : ~1 Msoleil par an dans la Voie Lactée

• Formation initiale d’une boule de gaz sphérique par effondrement gravitationnel

Ensuite formation d’étoiles, avec grandes flambées initiales (pour les galaxies spirales, la grande rotation aplatit d’abord le gaz en disque)

• Mais aussi collisions/fusions de galaxies (fréquentes dans l’Univers jeune) Fortes perturbations ; nouvelles flambées de formation stellaire(fusion Voie Lactée-Andromède dans quelques milliards d’années)

Ré-injection de gaz enrichi en atomes lourds vers la fin de la vie des étoiles

Évolution : proportion de gaz, structure, abondance des éléments chimiques

Nébuleuse de l’Aigle

vue en infrarouge (satellite ISO)

Pépinière de jeunes étoilesdéchirant et

illuminant leur nuage placentaire

de gaz et de poussière

Schéma de classification des galaxies

Sombrero

Centaurus A

Galaxie elliptique


3. Emergence d’un modèle global (cosmologique) de l’Univers

3.1 L’Univers au grand large, uniformité

On sait actuellement que l’Univers visible contient des centaines de milliards de galaxies

A très grande échelle (plus grande que celle des amas de galaxies), elles sont réparties de façon remarquablement uniforme en moyenne, parfaitement identique dans toute les directions l’Univers est uniforme, il n’a ni centre ni bords et est probablement infini

Grande simplicité : l’état global de l’Univers et son histoire, objets de la Cosmologie, dépendent seulement de quelques paramètres, aujourd’hui assez bien connus


3. Emergence d’un modèle global (cosmologique) de l’Univers

3.2 Expansion de l’Univers modèle du Big Bang

La découverte par Hubble dans les années 1920 de la « récession » (fuite) des galaxies, avec v=Hd, est une des plus importantes du siècle

Elle implique un état initial extrêmement dense et chaud (« soupe »), en expansion modèle du Big Bang

Mélange initial homogène de particules élémentaires ; refroidissement gaz d’hydrogène et d’hélium étoiles et galaxies (disposées plus ou moins en groupes, amas et grandes structures)

Schéma du modèle cosmologique « standard » actuel

Très précis ; résulte d’un nombre assez grand de recoupements de données d’origine variée, obtenues au prix d’immenses efforts dans les dernières années

Large accord : Âge de l’Univers ~13.7 milliards d’annéesL’Univers est pratiquement « plat » : propagation rectiligne de la lumièreIl est apparemment composé de trois « composantes » :

Matière ordinaire (atomes) « baryonique » : ~4%Matière noire ~23%Energie « noire » ~73%

La nature précise et même conceptuelle de la matière noire et surtout de l’énergie noire reste inconnueNécessité d’une phase initiale d’ « inflation » où les dimensions de l’Univers se sont accrues vertigineusement

Il existe un couplage intime entre la physique des particules et la cosmologie du Big Bang, notamment dans la phase d’inflation, avec de possibles interrogations sur des extra-dimensions de l’espace, sa topologie, etc.

Schéma d’Histoire de l’Univers

Age de l’Univers en milliards d’années

Nous sommes capables depuis quelques années de détecter des galaxies très lointaines dans l’espace et le temps (plus de dix milliards d’années) et d’observerainsi directement les principales phases de formation d’étoiles dans des galaxies analogues à la Voie Lactée, en particulier les violentes flambées initiales

HubbleUltra Deep Field

Modélisationde la structurefilamentaire de la distribution

des galaxies dans l’Universà l’échelle de300 millions

d’années-lumière


4. L’Univers violent, aux frontières de la physique

Révélations de sources d’énergie infiniment plus puissantes que les étoiles : - Explosions de supernovae hypernovae/sursauts : des milliards de soleils - Quasars : jusqu’à un million de milliards de soleils !

« Restes » de supernovae témoins de la violence de l’explosion

Crabe 1064 Tycho 16e Siècle

Modèle de binaire X

Le gaz de la grosse étoile est aspiré et tombe très violemment sur l’objet compact


4. L’Univers violent, aux frontières de la physique

Révélations de sources d’énergie infiniment plus puissantes que les étoiles : - Explosions de supernovae hypernovae/sursauts : des milliards de soleils - Quasars : jusqu’à un million de milliards de soleils !

Energie principalement gravitationnelleAssociée à des objets hyper-compacts (de physique encore imparfaitement comprise): - Etoiles à neutrons (densité ~1 milliard de tonnes par cm3 !) - Trous noirs

Emetteurs de rayonnement énergétique : - rayons X et gamma, neutrinos, rayons cosmiques - couramment détectables sur satellites ou à partir du sol

Trous NoirsEnergie des forces gravitationnelles proche de mc2 ultra-relativiste

Singularité/divergence de l’espace, fortement courbé

Forces gravitationnelles si intenses que « rien ne peut s’échapper », pas même la lumière

Enorme énergie communiquée à la matière qui est accrétée (« tombe ») sur le trou noir ; une partie est rayonnée avant l’engloutissement quasar

Dans certains cas, d’énormes jets de matière relativiste peuvent être éjectés radiosources, quasars, mini-quasars

Modèle de jets : binaire X / mini-quasar

quasar

Trous NoirsEnergie des forces gravitationnelles proche de mc2 ultra-relativiste

Singularité/divergence de l’espace, fortement courbé

Forces gravitationnelles si intenses que « rien ne peut s’échapper », pas même la lumière

Enorme énergie communiquée à la matière qui est accrétée (« tombe ») sur le trou noir ; une partie est rayonnée avant l’engloutissement quasar

Dans certains cas, d’énormes jets de matière relativiste peuvent être éjectés radiosources, quasars, mini-quasars

Super-massifs : 1 million/1 milliard de masses solaires - manifestes au centre des galaxies à noyau actif : quasars, etc. - « dormants » dans toutes les galaxies massives, surtout elliptiques

- bien identifié au Centre de la Voie Lactée : quelques millions de masses solaires : orbites d’étoiles

Modèle de désintégration et engloutissement d’une étoile par un Trou Noir massif

Orbites observées d’étoiles autour du Trou Noir central de la Voie Lactée

Trou noir bien identifié au Centre de la Voie Lactée : quelques millions de Mo : orbites d’étoiles


5. Exploration du Système Solaire et Exo-planètes

Exploration directe de tout le Système Solaire par sondes spatiales

Découverte de plus de 100 exo-planètes

Exo-biologie

Axe majeur de recherche pour le XXIème Siècle


Lune : Apollo (1969)

Mars : multiples missions : fabuleuses images

Autres planètes et satellites Saturne/Titan (2005)

Paysage Martien

Canyon géant sur Mars


Lune : Apollo

Mars : multiples missions

Autres planètes et satellites

Etudes comparées de l’évolution des planètes : atmosphère, intérieurscompréhension de leur formation et de l’histoire du Système Solaire

Recherche de vie : Mars Europa, etc.

Comètes (et asteroïdes) matière primitive interstellaire

+ Riche information de l’analyse chimique de météorites primitives Acides aminés

Sonde CassiniSaturne

Anneaux en couleurs réelles

Titan

Titan Sources de méthane dansun sol de glace ?


Lune : Apollo (1969)

Mars : multiples missions : fabuleuses images

Autres planètes et satellites Saturne/Titan (2005)

Etudes comparées de l’évolution des planètes : atmosphère, intérieurscompréhension de leur formation et de l’histoire du Système Solaire

Recherche de vie : Mars Europa, etc.

Comètes (et astéroïdes) matière primitive interstellaire

+ Riche information de l’analyse chimique de météorites primitives Acides aminés

Comète Hayakutate

Survol du noyau d’une comète

Gigantesque éruption-tempête solaire (satellite SOHO)

Exo-Planètes

La généralité des systèmes planétaires autour des étoiles était suspectée depuislongtemps

Détection difficile : Terre qq millionèmes de la masse du Soleil ; Jupiter qq millièmes

En fait détection tardive, mais plus facile que prévu : surprise de trouver des planètes massives tout près de certaines étoiles petit mouvement de l’étoile autour du centre de gravité étoile+planète

Plus de cent exo-planètes connues

Intense activité projets très pointus au sol et dans l’espace pour détecter desplanètes de masse terrestre et caractériser leur atmosphère : Oxygène = vie

Un des grands objectifs qui dominera tout le XXIe Siècle

Première image directed’une exo-planète

(à coté de son étoile naine brune)

(ESO-VLT avril 2005)

Exobiologie

Question centrale de notre plongée dans l’Univers

Spéculations incessantes depuis des siècles sur l’existence d’extra-terrestres 2 niveaux :

2. Apparition/devenir/survie des civilisations avancées ???Colonisation assez rapide d’une galaxie semble possible. Aucune trace avérée

Possibilité d’Univers parallèles permettant de trouver les conditions exceptionnelles favorables à la vie : principe anthropique ?????

1. Origine de la vieQuestion d’abord aux biologistes astronomes : rien ou peu (Lune ?) de spécial dans les conditions astronomiques de la Terre et du Système Solaire à l’aube de la vie milliers de milliards de systèmes équivalents dans l’UniversL’apparition de la vie est-elle banale ou unique ?Première réponse dans le Système Solaire : Mars, etc. Si la vie est trouvée est-elle apparentée à la vie terrestre ?

Voies tracées et questions pour le XXIe Siècle

- 1. Sur les rails 20 prochaines années :

- Meilleurs paramètres cosmologiques

- Détection des premières générations de galaxies et d’étoiles de l’Univers

- Détection d’ondes gravitationnelles ; fusion de trous noirs massifs, etc.

- Arpentage de la Voie Lactée (GAIA)

- Premières exo-planètes terrestres

- Echantillons de comète matière prébiotique

- Echantillons martiens Vie ou non sur Mars


- 2. Dans le Siècle :

- L’Homme sur Mars

- Vie ou non ailleurs dans le Système Solaire.

- Analyse des exo-planètes terrestresVie ou non - Analyse de la matière pré-biotique : comètes, etc.

- Connaissance intime de la Voie Lactée

- Recherche très significative par radio des civilisations technologiques de la Voie Lactée

- Mais on peut parier que la plupart des autres découvertes majeures répondront aux questions difficiles suivantes ou à des questions non encore formulées.


- 3. Questions difficiles(reliées à la physique des particules, dont les réponses peuvent être proches ou lointaines)

- Nature de la matière noire

- Origine de la réaccélération

- Physique de l’inflation et avant

- Possibilité/nécessité de dimensions supplémentaires de l’Univers et de topologie non triviale ?

Plus : - Vie/Intelligence extraterrestre (origine de la vie)

- (Principe anthropique)

z Dphot (Gpc)

1000

--------------------

20 230

12 130

--------------------

z= 6 60

--------------------

z=2 16 -------------------

0.5 3--------------------

0

~ 300 million

~ 3.5 billion

z ~ 7 – 20 ?- Reionization PopIII stars +1st galaxies-Formation of 1st galaxies Pop. II stars - First AGN

z ~ 4 – 7 :Current frontier- Galaxies and QSOs detection- End of reionization

z ~ 1.5 -4: - Peak of star formationsubmm sources + LBGs- Peak of QSO activity Proto-cluster formation

z ~ 0.5-1.5 : Final phase of active star formation - ISOCAM sources- Weak X-ray AGN- Cluster formation

les révolutions de notre vision de l’univers au xx ème siècle

Documents