L’Astronomie: Observer l’Univers Martin GIARD, CESR-CNRS

1. L’Astronomie: Observer l’Univers Martin GIARD, CESR-CNRS

2. Les 4 piliers du Big Bang: • L’expansion de l’Univers • L’expansion de l’Univers • Le rayonnement fossile • Le rayonnement fossile • La formation des galaxies et des amas de galaxies • La formation des galaxies et des amas de galaxies • Les abondances de H, He, D • Les abondances de H, He, D

3. océans continents 5° 25° -55° 35° ciel -270,4252° -270,4248° • La représentation de la Terre = Projection d’une sphère vue de l’extérieur • La représentation du ciel = Projection d’une sphère vue de l’intérieur

4. Ciel visible un soir d’été

5. La Voie Lactée = Notre Galaxie:

6. Ciel visible

7. Poussières noires dans la Voie Lactée :

8. La voie Lactée Infrarouge :

9. La Galaxie NCG 891

10. Observer l’Univers grâce à la détection : - Des photons: 99 % de l’astronomie • Des rayons cosmiques: marginal, car déviés par les champs magnétiques interstellaires (projet HESS) • Des ondes de gravitation: > 2010, projets VIRGO (sol) et LISA (espace)

11. Les méthodes de l’astronomie: • L’astronomie Photonique • Le Rayonnement Cosmique • Les Ondes de Gravitation

12. L’astronomie Photonique Photon (i.e. onde électromagnétique) => transporte la force entre les charges électriques (en général les électrons) Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur Photon e- e- DI: Courant électrique Charges en mouvement dans le détecteur DT: Chauffage par effet Joule

13. L’astronomie de Ondes de Gravitation Graviton (i.e. onde de gravitation) => transporte la force entre les masses (la matière !) Mise en mouvement de masses tests Masses en mouvement dans l’objet observé graviton m1 m m2 Mesure de leur distance par interférométrie laser

14. Les sciences de l’instrumentation photonique: • Collecteur de photons : Optique • Détecteur : Physique du solide • Amplificateur : Electronique filtres & conversion numérique • - Traitements numériques : Mathématiques Appliquées

15. Astronomie photonique, principe de base • Loi du retour inverse: • Si les photons suivent un chemin, ils peuvent aussi suivre le chemin inverse en subissant les phénomènes opposés • Absorption => Emission • Emission => Absorption

16. Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur Photon e- e- DI: Courant électrique Charges en mouvement dans le détecteur DT: Chauffage par effet Joule • Le retour inverse:

17. Charges en mouvement dans l’objet observé e- e- Charges en mouvement dans le détecteur • Le retour inverse: Colimateur Photon Absorption DI: Courant électrique DT: Chauffage Emissions

18. Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur Photon e- e- Charges en mouvement dans le détecteur • Le retour inverse: Emission DI: Courant électrique DT: Chauffage par effet Joule Absorption

19. Qabs= e Qabs I eP(T) Loi du corps noir • Conséquence du retour inverse : La loi de Kirchoff Absorptivité = Emissivité Qabs = e • Absorption : I (Wm-2sr-1) • Emission : Qabs= e Température = T

20. « Visible » « Infrarouge »

21. Les corps qui interragissent bien avec le rayonnement: Ceux qui ont des électrons mobiles Les métaux : électrons libres => bons réflecteurs, peu émissifs Les plasmas = Gaz complètement ionisé : => Diffuseur parfait, opacité aux ondes radio Les solides : Électrons de conduction + effet Joule => Absorbants, et émetteurs (si Température)

22. Visible Poussières noires dans la Voie Lactée : absorbant

23. Infrarouge Poussières noires dans la Voie Lactée : émetteur

24. Maximum d’émission du corps noir T (° K) Energie (eV) visible radio rayons X rayons gamma infrarouge UV Les couleurs des photons:n (Hertz) = fréquence d’oscillation des charges électrique qui émettent ou absorbentl (Mètre) = Longueur d’onde = n / cE (Joule / ou eV) = Energie = h n / c 1 eV = 1,6 e-19 Joule

25. Maximum d’émission du corps noir T (° K) Energie (eV) visible radio rayons X rayons gamma infrarouge UV

26. Le ciel Radio: l = 21 cm: Émission de l’hydrogène atomique l = 2,6 mm: Émission du monoxyde de carbonne

27. Le ciel Infrarouge l = 0.24 mm Émission des poussières l = 3,3 µm: Émission des molécules organiques

28. Le ciel infrarouge l = 3,5 µm Émission des étoiles Le ciel visible l = 0,5 µm: Émission des étoiles absorbée par les poussières

29. Le ciel X E = 750 eV Émission du gaz très chaud (reste d’une Supernova) E = 30 keV Émission des objets compacts binaires: étoiles à neutron et trous noirs

30. l = 0,24 mm poussières Le ciel gamma E = 511 keV Anihilation des électrons / positrons E > 100 MeV Collisions entres les rayons cosmiques galactiques et le gaz interstellaire

31. Le ciel Infrarouge l = 0.24 mm Émission des poussières l = 3,3 µm: Émission des molécules organiques

32. C’est en comparant les longueurs d’onde que l’on comprend l’Univers Nébuleuse d’Orion : étoiles jeunes dans un halo Carte du gaz interstellaire Conclusion => le gaz s’assemble en étoiles

33. Big bang Structuration de l’Univers Le projet PLANCK: Cartographier le rayonnement fossile avec une précision de 0.000 001 K Univers ionisé Univers neutre Photons cosmologiques :T = 2,73 K Surface de dernière diffusion La Galaxie Distance (années lumière) 100 1000 000 00015 000 000 000 z = 0 110 1000

34. Herschel : un observatoire submillimétrique spatial de 3,5 mètres • Planck: Une sonde thermique ultra-sensible pour cartographier le résidu du « Big-Bang » • Un besoin commun :S’éloigner à 1 500 000 km de la terre pour bénéficier d’un environnement « propre ». • 650 000 000 Euros ! • Plus de 500 chercheurs dans environ 150 instituts de recherche d’Europe et d’Amérique du Nord • Une collaboration internationale sous maîtrise d’œuvre de l’ASE, en collaboration avec la NASA

35. Herschel et Planck: Lancement en 2007 avec Ariane 5

36. Poussières ds notre GalaxieT = 10 à 30 K La Galaxie Planck Surveyor: « une Affaire de Températures » Univers ionisé Univers neutre Télescope: 60 K détecteurs : 0,1 K Effet S.Z. par les électrons chauds :T = 100 000 000 K CMB :T = 2,73 K Big bang Poussières ds les galaxiesT = 30 à 100 K Surface de dernière diffusion D = 102 pc 109 pc 5 109 pc

37. - 230 °C - 190 °C 15 °C 40 °C Le satellite PLANCK Lumière du Soleil

38. Mission Planck : Responsabilité ASE Alcatel : Principal Contractant Industriel responsable du satellite HFI = Récepteur hautes fréquences.France (PI), USA, GB, Italie, Allemagne, Canada, … LFI = Récepteur basses fréquences.Italie (PI), USA, GB, Allemagne, Finlande, … Télescope de 1,5 mètres : Danemark

39. IAS-Orsay, Fr QMW, GB Cal Tech, USA Découpage des tâches dans la construction de la chaîne des récepteurs bolométriques: Univ. Rome, It CESR-Tlse, Fr JPL, USA LAL-Orsay, Fr RAL, GB Air Liquide, Fr

40. Photon / radiation absorbant thermomètre Thermomètres L’instrument HFI Plan Focal 0.1 K 18 K 50 K 80 K 140 K Module de Service 300K

41. Résistance  10 MWà mesurer à 10-6 près(µK / K) Fonctionnement du bolomètre en équations

42. Permet de séparer les différentes sources de rayonnement • Les gaz et les poussières dans la Voie Lactée • Les galaxies dans l’Univers • Le rayonnement fossile du Big-Bang PLANCK : 9 bandes de fréquence entre 30 et 850 GHz

43. Ciel Micro-onde attendu

44. Ciel Micro-onde sans le dipole cosmologique -270,4252° -270,4248°

45. Le rayonnement fossile du Big-Bang

46. Aiguës Petits motifs Graves Grands motifs

47. Methode Scientifique: Mesure et Théorie : un peu de philosophie scientifique… - Qu’est ce que la méthode scientifique ? Principe: Les mêmes causes produisent les mêmes effets => On peut faire des expériences reproductibles - Qu’est ce qu‘une bonne théorie ? 1/ Une théorie qui explique des observations variées et compliquées à partir de quelques principes simples 2/ Une théorie qui est capable de faire des prédictions

48. - Explique la chute des pommes et le mouvement de la Lune ! - Exemple d’une bonne théorie : La loi de la gravitation de Newton: - Permet de calculer la quantité de carburant à mettre dans les fusées et de les piloter. • En 1846 Le Verrier prédit l’existence d’une 10 ième planète à partir des mouvements d’Uranus • => J. Galle découvre Neptune 5 jours plus tard

49. - Exemple d’une mauvaise théorie : Les « Petits hommes verts » • Bon : un principe simple qui explique des observations très différentes: les OVNIs, les champs de maïs coupés, les vaches affolées, etc …. • Mauvais : n’a jamais permis de prédire l’apparition d’un OVNI

50. Sites WEB à visiter: Ned Wright : http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm Cambridge University (UK) : http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/cos_home.html Waine Hu : http://background.uchicago.edu/~whu/beginners/introduction.html Max Tegmark : http://www.hep.upenn.edu/~max/index.html