Histoire de l’univers

2. Histoire de l’univers • Pourquoi l’histoire de l’univers ? • Questions « simples » ou élémentaires : De quoi sont composés les éléments qui nous entourent ? • Molécules • Atomes • Quarks • Comprendre les origines de notre environnement proche, des éléments qui nous entourent nécessite de remonter (toute) l’histoire de l’univers • Astronomie = observation • Observer loin dans l’espace = observer loin dans le temps • Mettre en place une histoire qui servira de trame de temps, de dimension et de température sur laquelle on pourra ensuite zoomer lors d’autres exposés

3. Début de l’univers • Début = Marche arrière jusqu’à la limite : • +/- 15 milliards d’années (13,7) • Température 1 milliard de milliard de milliard de degrés • Densité infinie • Magma explosif de quarks=Chaud, dense, explosif, « lumineux » • Avant ? • Équations impuissantes actuellement • Besoin d’une théorie quantique de la gravité • Candidat : théorie des « supercordes »

4. Big Bang – modèle standard • Temps = « 0 » : Big Bang • Création du temps et des 3 dimensions • Création matière et antimatière • Déséquilibre : 1/16 de la matière en plus (?) • Température passe de 1012 à 1010 degrés. • Une gigantesque annihilation : Particules / antiparticules se transforment en photons • Temps = 10-43 seconde=0,0000000000000000000000000000000000000000001 s(limite de Planck de la théorie quantique) • la matière de l'univers correspond à une "purée" de quarks, d'électrons et de positons baignant dans une énergie énorme (T° > mille milliards de degrés) • phase d'expansion jusqu'à 10-35 s après le Big Bang. • La température est trop élevée, la matière trop dense, les électrons sont libres :Le big bang est invisible !

5. Big Bang – modèle standard • Temps = 10-43 seconde=0,0000000000000000000000000000000000000000001 s(limite de Plank de la théorie quantique) • la matière de l'univers correspond à une "purée" de quarks, d'électrons et de positons baignant dans une énergie énorme (T° > mille milliards de degrés) • phase d'expansion jusqu'à 10-35 s après le Big Bang. • La température est trop élevée, la matière trop dense, les électrons sont libres : le big bang est invisible !

6. Les forces nucléaires • Temps = 1µs =0,0000000001 s : mise en action de la Force Forte • la force nucléaire forte va devenir supérieure à l'agitation des quarks et va les lier entre eux (grâce aux gluons!) • trois par trois pour former les protons et neutrons • Temps = +/- 1min :Mise en action de la Force Faible • Température n'est plus que de 3-10 milliards de degrés l'énergie thermique devient inférieure à la force faible. La nucléosynthèse initiale, avec la formation des noyaux atomiques légers à partir de la liaison des protons et neutrons peut alors débuter. • Protons + électrons forment l’Hélium, l’Hydrogènes et quelques éléments lourds • Expansion et refroidissement pendant … 1 million d’années

7. Et la lumière fut … • Expansion et refroidissement pendant … 1 million d’années • Temps = 300 000 ans : composition de l’univers • électrons • noyaux d'Hydrogène (protons) • noyaux de deutérium 2H, • 3He,4He • 7Li • La densité de matière étant plus faible, les photons peuvent circuler l'univers devient transparent • Le rayonnement résultant est celui, découvert par Penzias et Wilson en 1963 et aujourd'hui refroidi à -270 degrés Celcius Rayonnement du fond du ciel mesuré par la sonde WMAP

8. Naissance des Galaxies • Temps >300 000 ans : Mise en action de la force Electro-Magnétique • Température < 3000 degrés univers est rouge comme le fer chauffé dans les forges terrestres • naissance des atomes protons + électrons = Hydrogène • Naissance de quelques molécules comme la molécule d'H2 • Expansion et refroidissement… • Temps >300 000 ans : la gravité devient + forte que les force thermiques • La purée d’atome d’Hydrogène et d’hélium se condense en grumeaux (phénomènes mal compris) • Gravité engendre la rotation • Apparition des galaxies, des amas et super amas de galaxies Rotation et influences mutuelles fortes des galaxies entre elles (éloignement = seulement 10x leurs tailles)

9. RESUME - début de l’univers • Organisation • Expansion / dilution / refroidissement • Les forces cimentent et organise la structure de l’univers • On passe du chaos hyper énergétique aux galaxies • Expansion, entropie et poubelle infinie • L’expansion se fait à entropie constante = phénomène reversible • permet le rejet d'entropie • création étoile / planête = organisation Rejet d’entropie sous forme de rayonnement infrarouge • L’expansion permet d'avoir une poubelle toujours + grande donc pas de réchauffement

10. Une animation de l'histoire de l'Univers • ANIMATION FLASH

11. Naissance des étoiles • Univers après la nucléosynthèse primordiale : • 90% H, 10% Hé • Les étoiles se forment au sein des nébuleuses par phénomène d’accrétion • Au moment où le nuage devient suffisamment concentré, la gravité fait le reste. Elle engendre l'effondrement du nuage, ce qui compresse de plus en plus les molécules, et le nuage commence à se réchauffer. • Si la masse est suffisamment importante, la nébuleuse se comprime encore plus et les réactions nucléaires entrent en jeu. Nous avons alors une proto-étoile. Celle-ci commence alors à émettre lumière et chaleur.

12. Vie des étoiles • Noyaux très chauds : 20-100 millions de degrés • Séquence principale = 90% des étoiles actuelles dont le soleil • Transformation de H en He • Noyau encore plus chaud : 20 à 100 millions de degrés • Les réactions nucléaires dégagent de l’énergie sous forme de rayonnement au cœur de l’étoile qui sort en surface sous forme de lumière visible • Phase géante rouge (Beltegeuse et Antares) • Hélium se combine : x3 = Carbone, x4 = Oxygène, x5=Néon • = brique élémentaires des molécules de la vie • Noyau encore + chaud • Phase suivante • Le Carbone se combine et donne du Sodium, de l’Aluminium, du Magnésium = composants des pierres • Noyau encore + chaud

13. Vie des Etoiles • Cas des atomes les plus lourds : • Possibilité de créer du fer par Si+Mg • mais réaction endothermique : refroidissement brutal du noyau qui ne supporte alors plus les couches externes, et s’effondre • Réchauffement brutal et explosion avec des pics de température autour de 5 Milliards de degrés • Permet la formation des noyaux lourds : le fer (26 protons) • D'autres atomes sont créés par capture des neutrons émis lors de l’explosion : Plomb, Uranium • Cas des éléments légers et fragiles : Li, Be, Bo • Fragiles, ne supportent pas les hautes températures, donc impossibles à créer dans coeur des étoiles • Créés entre les étoiles à partir des éléments et du flux de particules stellaires : collision de proton + noyau Oxygène

14. Milieu Interstellaire : un fantastique labo • Lambeaux d’étoiles = milieu en cours de refroidissement, enrichi par les éléments lourds éjectés par les étoiles • Noyaux capturent des électrons et deviennent des atomes • Les atomes se combinent en molécules : • Eau • Gaz carbonique • Alcool éthylique • Amoniaque, méthane • Formation des grains de poussière : • Atomes (Al, MG, Si) s’organisent en réseaux cristallins= nuages interstellaires opaques • Des glaces se déposent : eau, gaz carbonique= micro planètes

15. RESUME • Début Univers : • Organisation, du chaos aux galaxies • Vie des Galaxies : • passage de nébuleuse gazeuse aux étoiles • Vie des étoiles : • Transformation de l’hydrogène en éléments lourds • Mort des étoiles : • Distribution des éléments lourds dans le milieu interstellaire

16. Création du système solaire • Temps = 10 Milliards d’années Naissance du soleil et des planètes à partir des éléments laissés par les étoiles de première génération • Coup de pouce :Ondes de choc provenant d'une supernova, effet de marée provenant de la galaxie, passage d'un amas d'étoiles, etc. • Création du Soleil • Gravité et rotation installe les poussières dans un disque • Proche du soleil les gaz s’évaporent • Gravité accumule les poussières en grumeaux de + en + gros (densité 3) • Collisions créent des corps solides de plus en plus gros • Collisions dégagent beaucoup de chaleur Grande nébuleuse d'Orion (M42)pépinière d'étoiles

17. Vie des planètes • Evacuation de la chaleur initiale : • Convection, Volcanisme, Tectonique des plaques, Création de montagnes • Phobos : gros caillou très vite froid • Lune/ Mercure : • + gros, vie de 100 millions d’années • Mars : en fin de vie • Terre : encore beaucoup de chaleur • Histoire des planètes = histoire de leur refroidissement

18. Cas de la Terre • Tant que la terre est chaude • Molécules d’eau contenues dans la pierre liquide • Refroidissement • Création d’une croûte externe • La pierre se solidifie et éjecte son eau sous forme de gigantesques geysers • L’eau reste en vapeur au dessus de la terre (cas de Vénus) • Refroidissement : pluies, puis océans • Résumé du parcours de l’eau : • Noyau d’oxygène se forme dans les étoiles • Se combine avec hydrogène dans milieu interstellaire • Se dépose sur les grains de poussières • S’accumule dans la nébuleuse protosolaire • Même phénomène pour le gaz carbonique.

19. Naissance de la vie • L'étude des roches anciennes a révélé que la vie était apparue sur terre il y a près de 3.800 millions d'années. A cette époque, la Terre était très peu accueillante. L'air était dense et nocif. Les comètes et les météorites pleuvaient sur la planète. • La Terre était un monde liquide sans aucune parcelle de terre sèche. Il y a 30 ans, les scientifiques pensaient que la vie était née dans les lacs et les océans. • La lumière et les ultra-violets du Soleil divisèrent les gaz riches en hydrogène dans l'atmosphère. Les éléments se réunirent pour former des composés chimiques plus grands et plus complexes. • Ces composés se rassemblèrent dans les océans et constituèrent une 'soupe organique'. • Un jour, un accident se produisit. Une molécule commença à se copier elle-même. La Terre avait engendré la vie.

20. Histoire de l’univers sur un an • Échelle :1 an = 15 milliards d'années, âge estimé du Big Bang,  1  jour = 41 millions d'années,  1 seconde = 500 ans ;1 milliard d’années = 24 jours ; 1 million d’années = 0,6 h = 36 minBig Bang et formation de l'hydrogène et de l'hélium : • le 1er janvier à 0 h • Formation de la Voie Lactée (et des autres galaxies)  : • vers la  fin  janvier • Plusieurs cycles : Nébuleuses,  formations d'étoiles, géantes rouges, super-novae et synthèse d'éléments chimiques, pollution de nébuleuses, formation d'étoiles de deuxième génération, etc ...  dans notre galaxie. • de février à août • De nombreuses super-novae explosent près de notre nébuleuse • les 30 et 31 août

21. Histoire de l’univers sur un an origine de la Terre et du système solaire • Formation de la Terre et du système solaire : • Dans la journée du 31 août (ne dure qu'une petite journée) • Plus  vieux minéraux connus (zircon australien) : • le  6 septembre • Plus vieilles roches connues (Lac des esclaves, Canada) : • le 12 septembre • Premières traces de vie connues (matière organique riche en C12, Groenland) : • le 16 septembre • Premiers fossiles  connus (bactéries et stromatolites, Australie) : • le 24 septembre • Plus vieille glaciation connue (il y en aura des dizaines d’autres jusqu'à nos jours) • Le 15 octobre • Plus vieilles traces (chimiques) connus de cellules eucaryotes : • le 25 octobre • Maximum de création de croûte continentale, ralentissement de la convection mantellique, établissement de la tectonique des plaques « à la mode actuelle » . . . . ) avec successions d’ouvertures, de subductions, de collisions, de formation de pangées, de dislocation  … qui durent jusqu'à nos jours • le 31 octobre

22. Histoire de l’univers sur un an fin de l'archéen et début du protérozoïque • Apparition de l'oxygène libredans l'atmosphère : • Vers le 10 novembre • Apparition des métazoaires et metaphytes complexes (algues complexes , Vers, méduses, ...)  : • Vers le 10 décembre • GlaciationS généraliséeS (boule de neige) : • les 15-16 décembre • Formation puis dislocation de l'avant dernière Pangee : • Les 15-16 décembre début du primaire • Apparition des coquillages  et  crustacés … (explosion cambrienne)  : • le 18 décembre • Apparition de premiers poissons : • le 19 décembre • Apparition de végétaux, puis animaux terrestres : • le 20 décembre  • Avant dernière glaciationS  : • Les 25- 26 décembre • Formation puis dislocation de la dernière pangée  : • 25 décembre

23. Histoire de l’univers sur un an début du secondaire • Apparition des Mammifères et des Dinosaures : • nuit du 25-26 décembre • Dépôt du calcaire Urgonien dans les Alpes • nuit du 29 décembre • Fin des dinosaures : • le  30 décembre, 10 h du  matin début du tertiaire • Formation des Alpes : • du 29 au 31 décembre • Début des glaciations mio-plio-quaternaire dans l'hémisphere sud • 31 décembre vers 12 h • Début des glaciations plio-quaternaire dans l’hémishere nord : • le 31 décembre, vers 21 h 30(avec alternance + ou – froid toutes les 4 mn) • Toumai • le 31 décembre vers 21h • Lucie : • le 31 décembre vers 22 h 30

24. Histoire de l’univers sur un an début du quaternaire • Lascaux : • le 31 décembre à 23 h 59 mn et 26 s • Pyramides de Chéops : • le 31 décembre, 6ème coup de minuit • Aujourd'hui : • le 31 décembre, au 12ème coup de minuit et pour plus tard • Vaporisation de la Terre  (le soleil deviendra géante rouge) …. ……………...................................………..début mai prochain • Mort du soleil …………………………………………….......................................………………………….Vers le 10 mai  prochain

26. Notes

27. IMAGES

28. Dimensions de l’univers