Les Révolutions de notre vision de l’Univers au XX ème Siècle

1. Les Révolutions de notre vision de l’Univers au XXème Siècle

2. 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

3. Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Plan 2 • Cinq Percées majeures : • Emergence de la notion de galaxies1920 • Expansion de l’Univers  modèle du Big Bang1930 – 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

4. 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 majeurede la vision du Monde Certes : - Raffinements exquis de la mécanique du Système Solaire  découverte de Neptune - Acquits majeurs de l’exploration du monde desétoiles et de leur physique - Questions relativement bien posées sur les planètes, comètes, la pluralité des Mondes …   mais inévitable myopie, impasses et surprenantes limitations …

5. 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

6. Les moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle Prodigieuses progression des techniques Télescopes et optique Des plaques photo aux énormes matrices de détecteurs numériques

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

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

9. Les moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle Prodigieuses progression des techniques Télescopes et optique Des plaques photo aux énormes matrices de détecteurs numériques Ouvertures de nouveaux domaines spectraux : - Radioastronomie

10. L’interféromètre submillimétrique ALMA Chajnantor Chili vers 2012

11. Les moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle Prodigieuses progression des techniques Télescopes 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, rayons gamma

12. Télescopes et sondes spatiaux Herschel 2007 Hubble Planck 1967 Rosetta 2004- Darwin vers 2015

13. Les moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle Prodigieuses progression des techniques Télescopes 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

14. Les grands moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle 1. Prodigieuses progression des techniques Télescopes 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

15. 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

16. Les grands moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle 2. Les révolutions de la physique du début du XXe Siècle • 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

17. Cinq Percées majeures : • 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

18. Schéma d’une étoile très massive près d’exploser en supernova Massive Star Structure

19. Diagramme HR (Luminosité/Température de surface) Puissance Lumineuse 1 000 000 000 1 000 000 1 000 1 Supergéantes Géantes état norrmal Soleil Naines blanches

20. VIE ET MORT DES ETOILES • Formation rapide par effondrement gravitationnel d’une condensation de gaz • interstellaire • Longue périodestable bien régulée de combustion de l’hydrogène • (~9 milliards d’années pour le Soleil) • Enflure en géante rouge • «Explosion » finale très violente (supernovae) ou douce (nébuleuses) • « Résidu» compact (naine blanche) ou très compact (étoile à neutrons) Les étoiles massives sont hyperlumineuses et ont une courte durée de vie Les petites étoiles vivent très longtemps  Naines brunes, étoiles avortées trop petites pour amorcer la combustion de H

21. Vie d’une étoile de la masse du Soleil

22. Hélice Œil-de-Chat Nébuleuses « planétaires » Lion Givré V838…

23. Vue récente de la coquille autour de la supernova de 1987

24. Nébuleuse du Crabe Bulle filamenteuse en expansion autour d’un pulsar (étoile à neutrons) Créée par une supernova observée en 1064

25. Cinq Percées majeures : • 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

26. Notre Galaxie, la Voie Lactée Prototype des galaxies spirales • Carte de visite : • 100-200 milliardsd’étoiles • liées par les forces d’attraction gravitationnelle • pratiquement ponctuelles • ~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 • Rotation d’ensemble (~100 km/s  période quelques 100 millions d’années) • Disque très très plat, surtout le gaz • Bras spiraux lumineux (jeunes étoiles)

27. Galaxies spirales M51 Andromède

28. La Voie Lactée vue en infrarouge Le rayonnement infrarouge est peu absorbé par les poussières et donne une image fidèle de la répartition des étoiles lumineuses en infrarouge et de leur concentration dans le disque et le bulbe galactiques autour du centre

29. 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 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 • 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)

30. Nébuleuse de l’Aigle vue en infrarouge (satellite ISO) Pépinière de jeunes étoiles déchirant et illuminant leur nuage placentaire de gaz et de poussière

31. Schéma de classification des galaxies

32. Galaxie elliptique Sombrero Centaurus A Les Antennes

33. Cinq Percées majeures : • 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

34. Cinq Percées majeures : 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)

35. 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’années L’Univers est pratiquement « plat » : propagation rectiligne de la lumière Il 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 inconnue Nécessité 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.

36. Schéma d’Histoire de l’Univers Age de l’Univers en milliards d’années

38. 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’observer ainsi directement les principales phases de formation d’étoiles dans des galaxies analogues à la Voie Lactée, en particulier les violentes flambées initiales Hubble Ultra Deep Field

40. Modélisation de la structure filamentaire de la distribution des galaxies dans l’Univers à l’échelle de 300 millions d’années-lumière

41. Cinq Percées majeures : 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 !

42. « Restes » de supernovae témoins de la violence de l’explosion Crabe 1064 Tycho 16e Siècle

43. Modèle de binaire X Le gaz de la grosse étoile est aspiré et tombe très violemment sur l’objet compact

44. Cinq Percées majeures : 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 gravitationnelle Associée 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

45. Trous Noirs Energie 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

46. Modèle de jets : binaire X / mini-quasar quasar

47. Trous Noirs Energie 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

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

49. Trou noir bien identifié au Centre de la Voie Lactée : quelques millions de Mo : orbites d’étoiles Orbites observées d’étoiles autour du Trou Noir central de la Voie Lactée

50. Cinq Percées majeures : • 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