Du "Big Bang" à nos jours

1. Du "Big Bang" à nos jours Patrick REY

2. Introduction • Rappel de quelques définitions de physique importantes pour aborder ce qui va suivre • Historique sur la compréhension de notre Univers • Historique des découvertes en cosmologie • Les premiers instants de l’univers • La première lumière • L’univers tel que nous le voyons, le mesurons et le comprenons aujourd’hui • Le système solaire • Notre environnement dans le bras galactique • La Voie Lactée • L’amas galactique • Quelques dimensions • Structure de l’Univers à ce jour.

3. Notre monde, notre Univers, ne sont pas statiques…

4. Introduction Le Big bang C’est une appellation passée depuis 1950 dans le langage commun. C’est un physicien anglais Fred Hoyle qui lors d’une émission à la BBC donna ce nom à la « naissance » de notre univers. Hoyle en fait donna ce nom par dérision, il proposait à l’époque le modèle de l’état stationnaire complètement abandonné depuis plusieurs dizaines d’années. Le Big Bang n’est qu’une théorie, qui s’affine au fil du temps, mais pourrait être remplacée par d’autres bien plus complexes. Dans ce qui va suivre, nous allons décrire l’âge de l’Univers à partir de 10-5 secondes. Entre 10-5 et 10-43 sec, nous n’avons que des hypothèses. Avant 10-43 sec nous sommes impuissants à décrire l’univers concentré en un point d’une température infinie, c’est le « mur de Planck »

5. Rappel de quelques définitions de physique importantes pour aborder ce qui va suivre Pour aborder ce qui va suivre, il est très important de comprendre ce qu’est un atome, infime composant de toute matière dans l’Univers. L’effet Doppler Fizeau sera la seconde notion de physique à comprendre. C’est l’outil de base pour tout astrophysicien. Et pour terminer, la vitesse de la lumière et ses conséquences sur l’observation de l’Univers.

6. L’atome : Modèle de l'atome de Bohr : un modèle planétaire dans lequel les électrons ont des orbites définies Le noyau est très compact, d'un diamètre d'environ 10-15 à 10-14 m, c.-à-d. que le noyau est cent mille à un million de fois plus petit que l'atome ; il porte une charge électrique positive. C'est aussi la partie la plus lourde de l'atome, puisque le noyau représente au moins 99,95 % de la masse de l'atome. Modèle de Schrödinger

7. Seulement 113 atomes dans l’Univers et une infinité de molécules…

8. Spectre électromagnétique:

9. L’effet Doppler Fizeau : L’effet Doppler est le décalage de fréquence d’une onde acoustique ou électromagnétique entre la mesure à l’émission et la mesure à la réception lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur varie au cours du temps. Si on désigne de façon générale ce phénomène physique sous le nom d’effet Doppler, on réserve le terme d’« effet Doppler-Fizeau » aux ondes lumineuses. Cet effet fut présenté par Christian Doppler en 1842 dans l’article Über das farbige Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels, confirmé sur les sons par le chercheur néerlandais Ballot (en utilisant des musiciens jouant une note calibrée sur un train de la ligne Utrecht-Amsterdam), et fut également proposé par Hippolyte Fizeau pour les ondes électromagnétiques en 1848. L’effet Doppler se manifeste par exemple pour les ondes sonores dans la perception de la hauteur du son d’un moteur de voiture, ou de la sirène d’un véhicule d’urgence. Le son est différent selon que l’on est dans le véhicule (l’émetteur est immobile par rapport au récepteur), que le véhicule se rapproche du récepteur (le son est plus aigu) ou qu’il s’éloigne (le son est plus grave).

10. Illustration de l’effet Doppler Fizeau : On se rend compte que les ondes qui proviennent d'une source lumineuse sont plus longues lorsque celle-ci s'éloigne. Les ondes sont « étalées » et la lumière qui nous parvient est donc rougie, c'est le décalage vers le rouge, ou redshift.Légende :1 : Ondes rallongées à l'arrière de la source lumineuse dues à son déplacement.2 : Sens de déplacement de la source lumineuse.3 : Source lumineuse.4 : Ondes raccourcies à l'avant de la source lumineuse dues à son déplacement.

11. la vitesse de la lumière et ses conséquences sur l’observation de l’Univers. Betelgeuse = 640 a.l. T = D/V Terre – Soleil = 150 000 000 Km Soit 8 mn vl Galaxie Andromède = 2 200 000 a.l.

12. Historique sur la compréhension de notre Univers Diagramme de Kepler représentant un univers borné et copernicien « Le secret du monde, 1596 » Le système de Dante

13. L’Univers de Descartes : Descartes conçoit sa théorie des tourbillons. Les particules de terre sont les plus grosses, celles d'air sont moyennes et celles de feu sont petites. Elles s'assemblent en tourbillon : les particules de feu s'agglomèrent au centre (elles sont les plus rapides), ce qui fait que chaque tourbillon contient en son centre une étoile. Les étoiles exercent une pression sur les autres étoiles. Mais elles se recouvrent aussi de matière lourde qui les empêche finalement de briller. Le tourbillon disparaît alors et l'étoile couverte de matière lourde se déplace dans d'autres tourbillons et peut devenir une planète. Descartes soutient que seule la matière est douée d’extension et non le vide. Il réfute ainsi l’idée de l’atome. De fait les cartésiens croyaient en un Univers en extension infinie. 1644

14. L’Univers de Newton : Isaac Newton (4 janvier 1643 G – 31 mars 1727 G) est un philosophe, mathématicien, physicien, alchimiste, astronome et théologien anglais. Figure emblématique des sciences, il est surtout reconnu pour sa théorie de la gravitation universelle et la création, en concurrence avec Leibniz, du calcul infinitésimal. En mécanique, il a établi les trois lois universelles du mouvement qui sont en fait des principes à la base de la grande théorie de Newton concernant le mouvement des corps, théorie que l'on nomme aujourd'hui Mécanique newtonienne ou encore Mécanique classique. Newton a montré que le mouvement des objets sur Terre et des corps célestes sont gouvernés par les mêmes lois naturelles ; en se basant sur les lois de Kepler sur le mouvement des planètes, il développa la loi universelle de la gravitation. Dans son ouvrage Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica (1686), il décrit la gravitation universelle, formule les trois lois du mouvement et jette les bases de la mécanique classique Réplique du télescope de 6 pouces (150 mm) qu’Isaac Newton présenta à la Royal Society en 1672.

15. L’Univers de William Herschel : William Herschel (né Friedrich Wilhelm Herschel) est un compositeur et astronome germano-britannique, né à Hanovre le 15 novembre 1738 et décédé le 25 août 1822 (à 83 ans). Libéré de ses obligations militaires, il gagne sa vie comme copiste musical à Londres puis directeur de la milice de Durham. En 1758, il obtient la direction des concerts d'Édimbourg avant de devenir organiste à Halifax en 1766, puis à Bath l'année suivante. Il demeure au centre de la vie musicale de cette ville pendant 10 ans tout en s'intéressant de plus en plus à l'astronomie. Les œuvres "galantes" d'Herschel ont été composées entre 1759 et 1770 : 24 symphonies, une douzaine de concertos (violon, alto, hautbois, orgue), des sonates pour clavecin et de la musique religieuse. • En 1776 Herschel construit un télescope de sept pieds de foyer. • Aidé par sa sœur Caroline qui l'a rejoint à Bath, il devient un observateur hors pair, construisant lui-même ses lunettes et télescopes. • En 1787 Il montre son télescope de 6 m de focale (20 pieds). • En 1789 Il construit un télescope de 12 m de long et de 1,22 m d'ouverture. • On lui doit, entre autres, la découverte : • de la planète Uranus (13 mars 1781), • du mouvement du soleil vers ce qu'il nomma l'apex. (1783),[ • Il dessine un modèle d'univers lenticulaire et semble avoir eu l'intuition des nébuleuses extragalactiques (1785), • de deux satellites d'Uranus : Titania et Obéron (1787), • des satellites Mimas et Encelade de Saturne (1789), • du rayonnement infrarouge (1800), • des étoiles binaires (1802), • de la forme (approximative) de notre Galaxie à partir du comptage d'étoiles (1785). • Il a également publié plusieurs Catalogues d'étoiles doubles (1782, 1785) et de nébuleuses (1786, 1789, 1802).

16. La voie lactée par W . Herschell, la réalité : 400 milliards d’étoiles, 1000 milliards de planètes Soleil 220 km/s 100 000 a.l.

17. Historique des découvertes en cosmologie 1823 Olbers “si l’Univers est éternel et infini, comment se fait-il que la nuit le ciel soit noir? » S’il existait une infinité d’étoiles, dans un ciel sans commencement celui-ci devrait briller d’un éclat éblouissant ! » 1845 Edgar Allan Poe “si le ciel nocturne est noir, c’est parce que l’Univers à un âge fini » Confirmé quelques années plus-tard par Arago, puis tombé dans l’oubli. Le monde des scientifiques en reviendra au schéma d’un univers infini sans commencement et statique. 1854 Bernhard Riemann a 28 ans et fait un exposé de mathématiques à l’université de Göttingen. Aucun des prestigieux mathématiciens ne comprend les équations et solutions proposées. Pour la première fois une vision modernede notre Univers émerge comme par exemple cette idée qui donne le vertige : Si l’Univers est muni d’une courbure constante et positive, il peut être représenté par une sphère à 3 dimensions. Ce sera le concept d’Einstein, un univers sphérique à la fois fini est illimité. Mais B. Riemann va plus loin : le rayon de cette sphère est fixe mais il varie avec le temps : prémisse d’un Univers en expansion! 1912 Vesto Slipher l'astronome américain nota un léger décalage de ses raies d’absorption par rapport à l'état stationnaire d’un élément équivalent mesuré en laboratoire. En deux ans il déterminera les décalages Doppler d'une quinzaine de "nébuleuses spirales". En 1914 il publia lors d’un colloque ses résultats sur un univers en expansion. Pas un des astronomes présent n’avait saisi la formidable portée de la découverte, sauf un jeune homme au nom d’Edwin Hubble qui ramassa ses affaires en vitesse pour sortir précipitamment de la salle.

18. 1917 Willem De Sitter émet l’hypothèse, qu’au vu des équations rien n’interdit, après tout que l’Univers soit en expansion. 1917 Albert Einstein sans prendre de gants,, il lui écrit « cette circonstance d’expansion m’irrite ». Dans une second lettre, il ajoute « Admettre de telles possibilités est insensé! ». En 1922 il obtient le prix Nobel de physique, désormais chacune de ses paroles compte double. Le père de la relativité est fermement convaincu que l’Univers est totalement statique. 1927 Alexandre Friedmann Friedmann découvre la théorie de la relativité générale d'Einstein en 1922, il entreprend dès lors d'en chercher les solutions exactes. Il entrevoit le premier que cette théorie mêlant gravitation, temps et espace, permet l'étude de la structure de l'univers dans son ensemble. Il découvre que les équations d'Einstein permettent la description d'un univers en évolution et introduit pour la première fois l'idée d'un univers en expansion. L'article fondateur de la cosmologie non statique est publié en juin 1922. Friedmann y décrit trois types d'évolution dans le temps de l'Univers, impliquant notamment une singularité initiale. Il poursuit son raisonnement dans un deuxième article publié en 1924. Une violente controverse oppose à distance Friedmann à Albert Einstein, qui refusera longtemps un univers non statique. En fait Einstein avait rajouté artificiellement à la main une « constante cosmologique », ce qui fige pour l’éternité l’Univers, ce serait, dit Friedman, équivalent à faire se tenir seul en équilibre un crayon sur la pointe. De plus Friedman, se rend compte que les solutions de l’équation Einstein représente un Univers sphérique. Finalement avec les années il finira par résoudre l’équation d’Einstein, mais ce dernier réfutera toutes ces solutions. La bataille fit rage entre les deux savants durant plusieurs années, finalement Friedmann mourut de maladie et son Univers en expansion retomba dans l’oubli.

19. 1927 L’ Abbé Lemaître, sans avoir lu les travaux de Friedmann, conclu en 1927 que l'Univers était ouvert et s'étendait à l'infini avec une variation continue des distances entre les objets. Il considéra que l’Univers était constitué de "nébuleuses extragalactiques", une idée qui était très en avance sur son temps. Einstein refusa catégoriquement cette idée car dans son esprit l'univers ne pouvait pas être en perpétuel changement. L’article de Lemaître resta méconnu jusqu’en janvier 1930, lorsque Hubble présenta ses résultats devant la Royal Astronomical Society de Londres. Lemaître lu ce compte-rendu et envoya une copie de son article de 1927 à Eddington. Quelques mois plus tard Eddington rédigea un commentaire dans les "Monthly Notices of the Royal Astronomical Society" et l’article de Lemaître sera publié dans le même magazine en 1931. Quoi qu'en disait Einstein, les mesures et les calculs de Hubble et Lemaître démontraient que les galaxies s'évadaient dans l'espace avec une accélération constante. Leur vitesse étaient d'autant plus élevée qu'elles étaient éloignées. De Sitter reconnu à son tour la validité de la théorie de Lemaître et abandonna son modèle d’univers vide de matière. 1929 Hubble exposa la loi qui porte désormais son nom : "la vitesse de fuite des galaxies est proportionnelle à leur distance, à raison de 500 km/s par mégaparsec. Le décalage vers le rouge du spectre des galaxies représentait bel et bien un effet Doppler et ne souffrait aucun terme correcteur : l'univers était bien en expansion et les galaxies suivaient ce mouvement par inertie. Comprenant que (dR/dt)/R > 0, Einstein reconnut qu’il avait fait "la plus grande erreur de sa vie« . Les observations ultérieures ramèneront toutefois la valeur de la "constante de Hubble" à la moyenne de 75 km/s/Mpc. La relation d'Hubble s'établit sous la forme suivante : v = Ho r

20. 1948 George Gamow, avec Ralph Alpher, ils publie ntun article capital sur la formation des éléments au cours des premières phases de l'expansion de l'Univers, participant ainsi à l'élaboration de la théorie du Big Bang. Gamow, assisté de Alpher, décrit l'univers d'origine, le Ylem, comme une « soupe dense de neutrons et de protons ». Ce sont eux qui émirent l’idée d’un rayonnement fossile, résultat de leurs calculs théoriques. Cette idée sera combattue par de nombreux astrophysiciens, puis tomba dans l’oubli pour émerger à nouveau en 1964. George Gamow est le fils d'un professeur de lettres. Il étudie à l'université d'Odessa, puis à Saint-Pétersbourg où il étudie avec Alexandre Friedmann, un cosmologiste renommé. Il s'intéresse alors à la mécanique quantique et à la théorie de la relativité. 1964 Penzias et Wilson découvre le rayonnement fossile par hasard. Après un an de travaux et suite à une rencontre fortuite avec des astronomes ils comprennent le sens de leur découverte publiée le 21 mai 1965 – En 1978 ils reçurent le Prix Nobel. Robert Wilson élève de Fred Hoyle

21. L’instant primordial L’instant primordial du Big Bang serait à l’origine de l’Univers il y a 15 milliards d’années. Une fraction de seconde plus tard, une super force dilata l’Univers primordial au moins un millier de milliards, de milliards, de milliards de fois. Elle se « brisa » en quatre forces fondamentales – les interactions forte, faible, électromagnétique et gravitationnelle. Il n’y avait pas d’atomes, seulement une « soupe » de particules fondamentales (des quarks et des électrons) infiniment plus dense que l’eau. Il y avait aussi de l’antimatière – l’image miroir de la matière. Mises en contact, elles se détruisent mutuellement. Trois minutes après le Big Bang, les quarks commencèrent à s’associer pour former le plus simple des noyaux atomiques, celui de l’hydrogène. 380 000 ans après le Big Bang, la température était descendue à 3000°C et l’hélium put capturer les électrons libres, devenant des atomes. Une fois les électrons piégés, les photons (la lumière) purent circuler. C’est le début de l’Univers visible.

23. Les résultats de l’observatoire COBE le satellite COBE avait découvert des fluctuations micro-ondes atteignant 1/30 millionième de degré Kelvin à 5 millionième près entre deux points du ciel distants de plusieurs dizaines de degrés. Ces fluctuations, bien que très faibles, correspondent à des structures primordiales de 1000 Mpc ou plus vastes encore. Depuis d’autres expériences équivalentes ont révélé des structures de l’ordre de 100 Mpc. En d’autres mots, l’analyse minutieuse des données révéla que la radiation à 2.7 K n’était pas uniforme... Pour l'anecdote, en présentant cette photographie des premiers instants de l'univers Smoot déclara : "C'est comme voir le visage de Dieu", propos irrationnels qui lui valurent quelques remarques des laïques. Smoot expliqua par la suite qu'il voulait dire avoir été imprégné d'un sentiment presque métaphysique en voyant cette "première lumière" de la Création. Il est vrai qu'à une époque si proche du Big Bang, elle pose des questions. L'expression de Smoot sous-entend aussi que si les scientifiques ne parviennent pas à expliquer l'origine de ces fluctuations, l'origine de l'univers serait alors inexplicable, de nature transcendante... Mais ceci est un autre débat.

24. L’ espace Durant la phase d’inflation, la gravité fonctionne à l’envers, l’univers se dilate dans la proportion de 10 50. Expansion Inflation

25. EXPANSION et non EXPLOSION

26. 13.5 G 5 G 1G 1013 sec 102 sec 10-10 sec 10-34 sec 10-43 sec

28. Ballade dans l'Univers

29. L’univers tel que nous le voyons, le mesurons et le comprenons aujourd’hui Le système solaire

32. Sol de Vénus photographié par la sonde RUSSE VENERA

34. 4700 ans après Stonehenge : le premier satellite artificiel : Spoutnik 4/10/1957

35. Et encore 50 ans plus tard, L’ISS…

49. Naissance de la Lune, conséquences.

50. 23°26’ Ce fut Ératosthène (v. 276 - v. 194 av. J.-C.) qui fut le premier à démontrer l'inclinaison de l'écliptique sur l'équateur et fixa sa valeur à 23,51°.