Yves Rabbia, astronome Observatoire de la Côte d'Azur, rabbia@obs-azur.fr 06 24 33 84 96

1. Yves Rabbia, astronome Observatoire de la Côte d'Azur, rabbia@obs-azur.fr 06 24 33 84 96 UNSA_2012-2013 UEL_rencontre avec astron/astrophys Yves Rabbia, UNSA OCA Lagrange chap 08_kit_univers UEL une première rencontre avec l'astronomieéléments pour illustrer le cours chap 08 kit pour univers

2. nos ingrédients • de la matière et de la lumière • des interactions (façons de les combiner) • des concepts pour jouer avec tout ça un kit pour l'univers ou recette pour faire... • avertissement • un tout petit kit • version camping , tres sommaire • avec raccourcis sauvages et oublis volontaires • cela juste pour raconter un tout petit peu d'univers • (restriction déjà annoncée à la session 1) • note : on ne part pas du début de l'univers • (mais y a t il seulement un debut ? )

3. matière : de l'intuition au LEGO fondamental_1 antiquité grecque environ 400 av JC: deux conceptions Empedocle matiere : 4 elements : air, terre, eau, feu interactions : attirance (amour)  et repulsion (haine)  Leucippe matiere : assemblage de particules infimes insecables ( a-tome), eternelles les differents aspects de la matière resultent des diverses façons d'assembler ces particules. jusqu'ici, c'est speculatif, et fondé sur des conceptions intuitive, métaphysique, mystique, mythologique, ...... issue historique l'autorité d'Aristote imposera la conception d'Empedocle

4. un grand saut dans le temps Lavoisier A.L. (1743-1794) , Proust J.L. (1754-1826) , Dalton John (1766-1844) Avogadro A. ( 1776-1856) ! éléments chimiques : tableau de Mendeléev D.I. (1834-1907) exemples : atomes et molécules Hydrogène, Carbone, Azote, Oxygène, Fer: atomes (H,N,C,O,F) Eau, Gaz Carbonique, rouille (H2O, CO2, Fe2O3) matière : de l'intuition au LEGO fondamental _2 la conception atomiste est réintroduite par la chimie sur des fondements experimentaux on distingue : les atomes (corps simples, éléments chimiques) les molécules, (corps composés, assemblages d'atomes

5. les acteurs permanents (longue durée) médiateurs d'interactions : ils sont présents dans les réactions entre protons, neutrons, electrons, ..... les acteurs éphémères (courte vie) une présence énigmatique : la matière noire matière noire = ????? on verra plus tard pourquoi on invoque cette présence matière : de l'intuition au LEGO fondamental _3 description minimale adaptée à nos besoins immédiats groupés ils forment des noyaux atomiques des atomes protons neutrons électrons photons neutrinos ce sont d'autres particules élémentaires : toute une faune

6. découvertes antérieures : rayons cathodiques (1895), radioactivité a (1896) découverte de l'électron : 1897, J.J.Thomson introduction du photon : 1905, A. Einstein découverte du noyau : 1911, E. Rutherford introduction du proton : 1916, J.J.Thomson découverte du neutron : 1932, J. Chadwick introduction du neutrino : 1933, E. Fermi plus de 40 ans pour parcourir ce chemin matière : de l'intuition au LEGO fondamental _4 electrons, protons, neutrons, photons, neutrinos : ils ne sont pas arrivés par magie leur introduction a demandé : de l'imagination excitée par de l'expérimentation

7. vide + - de là, un nouveau modèle pour l'atome : le pudding charges négatives uniformement réparties dans un milieu de charge positive conservant la charge globale nulle connue par ailleurs + - - - - - - - - J.J.Thomson 1856-1940 matière : de l'intuition au LEGO fondamental _5 illustration 1 decouverte de l'electron : JJ Thomson experience : tube de crookes + aimants enceinte à vide, chauffage d'un filament metallique, tension electrique, cible fluorescente observation : impacts lumineux sur la cible interpretation : emission de particules par le filament chauffé observation : particules guidées et accélerées par tension electrique, et trajectoire modifiée par champ magnetique, interpretation : particules de charge negative apport de Thomson : les atomes ne sont plus de simples billes homogènes et quoique électriquement neutres, ils comportent des particules de charge négative

8. detecteurs exemple 2: source découverte du noyau : E. Rutherford jets de particules a sur feuille d'or repérage des déviations, cible apport de Rutherford : deviations par micro-obstacles diffuseurs localisés les atomes ont un noyau compact , dense, massif electrons là dedans E. Rutherford 1871-1937 noyau de là, un nouveau modèle "noyau + nuage electrons" il invalide le pudding matière : de l'intuition au LEGO fondamental _6

9. N. Bohr (1885-1962) matière : de l'intuition au LEGO fondamental _7 Rutherford propose le modèle : atome = noyau + electrons en orbite autour mais ce modèle se révèle incompatible avec la physique de l'époque plus tard Niels Bohr, grace à la spectro et à la mécanique quantique, réhabilite et étend cette représentation appelée "atome de Rutherford-Bohr" plus tard une description du noyau : assemblage de protons et de neutrons, caractérisé par 2 nbres : Z : numero atomique, nbre de protons, A : nbre de nucleons

10. matière : de l'intuition au LEGO fondamental _8 à cette étape atome = noyau + electrons qq part autour noyau = A nucleons, dont Z protons par suite : Z electrons car atome : charge electrique nulle de nouveaux acteurs : les ions lorsqu'un atome perd ou gagne un (des) electron(s) sa charge electrique n'est plus nulle on a alors un "ion" (grec : ion – aller) et deux acteurs majoritairement présents dans l'univers Hydrogène ( 1 proton, 1 electron) et Helium (2 protons, 2 neutrons, 2 électrons) n'oublions pas l'ion H+ : 1 proton

11. matière : de l'intuition au LEGO fondamental _ 9 est ce l'étape ultime ?? l'étape ultime ?? non , protons et neutrons = assemblage de quarks mais ça suffira pour l'instant

12. ! matière, suite tout ça pourquoi ?? • pour rappeler ou montrer comment on en est arrivé à décrire divers constituants de la matière concepts et modèles établis via l'experimentation • pour introduire divers acteurs (des molecules aux nucléons) • pour montrer qu'on peut casser les assemblages (le noyau aussi, on verra plus tard avec les étoiles) mais pour cela il faut de l'energie par exemple : chocs entre particules (photons inclus) on peut intuiter aussi que si on chauffe on peut casser les edifices (molecules, atomes, noyaux,...) si on refroidit le milieu, les divers constituants peuvent s'assembler si on sait assembler les constituants on devrait recuperer de l'energie il nous faut alors voir comment tout ça interagit mais d'abord voyons les états de la matiere

13. solide : molécules, atomes ou ions assemblés dans une structure ordonnée, périodique ( glace, métal, sel de cuisine) Ils s'écartent peu de leur position moyenne, leur mouvement d’agitation est amplifié qd la temperature augmente ! ? liquide : les particules de matière sont en contact, empilées sans ordre, les positions ne sont pas fixes, les mouvements sont aléatoires et là aussi sont amplifiés par l'élévation de temperature (eau, metal en fusion) gaz : particules distantes (beaucoup d'espace entre elles) et en mouvement aléatoire incessant, tendant à occuper tout le volume offert (dihydrogene, vapeur d'eau, gaz carbonique, ...) plasma : pour faire bref, on dira gaz de particules chargées ( interactions electriques, à distance) matière : comment se présente-t-elle à notre quotidien ? trois états familiers, solide, liquide, gaz et un moins familier : plasma note : gaz parfait : modèle thermodynamique où les particules n'interagissent pas en dehors de chocs, leur taille est négligeable devant la distance moyenne interparticule les gaz communs , à basse pression relèvent de ce modèle

14. états de la matière : illustrations solide liquide gaz plasma

15. ! gravitation , Newton (1642-1727) électricité, Coulomb (1736-1806) magnétisme, Faraday (1791-1867) electromagnetisme Maxwell (1831-1879) radioactivité interaction nucléaire faible Fermi 1933 interaction nucléaire forte 1967-1970 gravit. revisitée, Einstein (1879 _1955) matière et lumière : aperçu sur les interactionsou "les forces dans la nature" 1 un peu de chronologie

16. ! gravitation : attirance entre masses (que de l'amour  ) electromagnetisme : forte attirance entre charges de signes opposés (amour , hetero) repulsion entre charges de même signe (haine , homophobie) interaction forte :    si l'on parvient à approcher suffisament les charges positives la repulsion () est vaincue et elles s'assemblent très très fort (   ) et à l'accouplement elles libèrent de l'energie (soupirs ?) mais alors on ne les décolle plus, sauf si on leur tape dessus très très fort matière et lumière : aperçu sur les interactionsou "les forces dans la nature" _ 2 comment ça marche ? mais alors ?? comment tiennent les protons dans les noyaux ? interaction faible : pour faire bref, les noyaux crachent une partie d'eux-mêmes sous forme de particules, c'est la radioactivité

17. ! matière et lumière : aperçu sur les interactionsou "les forces dans la nature" _ 3 qui c'est le plus fort ?? les forces dans la nature intensités relatives portée interaction forte (nucleaire) 1 10 –15 m noyau interaction elmg (atome, chimie) 1/137 infinie interaction faible 10 – 6 10 –18 m proton (radioactivité beta et autres) gravitation : toute matiere(ou energie), attraction mutuelle 10 -39 infinie la gravitation est la plus faible , mais c'est celle qui gagne toujours au bout du compte

18. radioactivité : certains noyaux changent spontanément de composition en émettant des particules (désintégration radioactive) note : particules élémentaires e+, neutrinos, ... tout un tas d'autres présentes dans la nature et/ou créées dans accélerateurs (collisionneurs) particules cibles, particules projectiles réactions nucléaires productrices d'energie : fission : 1 lourd  2 moins lourds + autres + energie fusion : 2 legers  1 plus lourd + autres + energie un peu de physique nucléaire ? radioactivité a Noyau 1  Noyau 2 + noyau Helium radioactivité b Noyau 1  Noyau 2 + [e+] + neutrino radioactivité g Noyau 1  Noyau 1' + energie la composition du noyau ne change pas mais il y a émission d'énergie (rayonnement g)

19. illustration : le Large Hadron Collider ( LHC) Geneve voir aussi (chez soi) clip video sur LHC

20. ! mais quel rapport avec l'astro ?? qqs exemples en vrac formation des étoiles : molécules, atomes, noyaux origine du rayonnement : reactions nucléaires, particules élementaires big bang : particules elementaires, noyaux, atomes, ...structures nucléosynthèse primordiale : réactions nucléaires nucléosynthèse stellaire : réactions nucléaires physico-chimie des astres : électrons énergie du vide ? (energie noire?) sursauts "gamma" ....... ??? voir clip fusion.mov avec real player

21. rappels utiles pour les gaz :deux grandeurs caractéristiques temperature et pression _ 1 on a adopté la représentation : gaz parfait = ensemble de particules à grandes distances les unes des autres qui interagissent seulement par collision et qui sont en mouvement désordonné grande = bien plus grand que la dimension des particules en astro cette situation peut souvent s'appliquer à divers objets et comme "particules" on peut prendre : protons, electrons, atomes, ions, molecules, mais aussi petits corps du syst sol, etoiles , galaxies,.... on définit deux grandeurs physiques pour ces ensembles pression et temperature

22. rappels utiles pour les gaz :deux grandeurs caractéristiques temperature et pression _ 2 temperature : indicateur de l'energie cinetique moyenne des particules (mouvements désordonnés, agitation) Ecin = m. < v2 >/2 m : masse d'une particule, < v2 > valeurmoyenne des v2 la physique montre que Ecin (joules) proportionnelle à T (kelvin) constante de proportionnalité k : cste de Boltzmann, en Joule/Kelvin phenomenologie : masses plus grandes  Ecin plus grande vitesse moyenne plus grande  Ecin plus grande en résumé pour un ensemble de particules identiques Ecin plus grande signifie T plus élevée et réciproquement et aussi : T plus grande  chocs plus violents et possible casse des molecules, atomes, noyaux, .....

23. rappels utiles pour les gaz :deux grandeurs caractéristiques temperature et pression _ 3 pression : indicateur de la volonté naturelle d'expansion du gaz c'est l'intensité de la force appliquée sur l'unité de surface d'une enceinte limitant le volume accessible modélisation : pression liée à la frequence et à la violence des chocs sur la paroi particules plus nombreuses , pression plus grande particules plus rapides , pression plus grande On connait par ailleurs ( lycee) une loi emprique reliant pression, volume et T Pression . Volume = cste.T ainsi dans un volume donné, si T augmente alors P augmente les particules sont plus rapides et tapent plus fort sur ce qui empeche leur expansion : les parois de l'enceinte qui les contient avec tout ça , on parlera de la formation d'une étoile

24. T1 < T2 T1 T2 F1 F2 S S P1 = F1/S P2=F2/S P1 < P2 rappels utiles pour les gaz : deux grandeurs caractéristiques temperature et pression _ 4 illustration sommaire et limitée, des concepts précédents ici, j'ai représenté seulement lesnchocs par des particules dont la vitesse est perpendiculaire à la paroi, en fait il y a toutes les orientations possibles pour la vitesse et c'est la composante normale à la paroi qui compte

25. ! et maintenant jouons un peu avec notre kittemperatures de casse on a une assemblée de molecules (gaz) disons H2 elles ont une energie de liaison(pour tenir ensemble les atomes) la temperature du milieu est T : ambiante 300 Kelvins on va augmenter T sans cesse, que se passera-t-il ? elles vont s'entrechoquer de plus en plus violemment (vitesse des rencontres) T atteint 50 000 K elles sont cassées et les atomes sont libérés T atteint 150 000 K les electrons sont separés des noyaux (ionisation de l'hydrogene), on aura une soupe de protons (ion H+) melangée à une soupe d'electrons on augmente encore la temperature les protons s'entrechoquent de plus en plus fort jusqu'à ce la réaction du fusion des protons commence ( 8 106 Kelvins)

26. encore un peu de physique avant de retourner vers les étoiles et le reste ...... corps noir gravitation ce sera l'objet de la session suivante