Astronomie et cosmologie17 décembre 2020

Bruno Régaldo-Saint Blancard

La « première lumière » de l’Univers, vue par le satellite Planck

I. Quelques repères d’astronomie

Photographie longue pose du ciel étoilé dans le désert d’Atacama

(Chili)

1. La Terre dans le système solaireAstronomie du système solaire à la base de la loi universelle de la gravitation :

➢ Modèle héliocentrique popularisé par le système de Copernic au XVIe siècle

➢ Les observations de Tycho Brahe (XVIe siècle) ont été décisives pour que Kepler énonce ses trois fameuses lois au début du XVIIe siècle

1) Les planètes décrivent une ellipse dont le Soleil occupe l’un des foyers

2) Le rayon Soleil-planète balaie des aires égales pendant des intervalles de temps égaux

3) Le carré de la période de révolution T est proportionnel au cube du demi grand-axe a de l’orbite

Système héliocentrique simplifié de Copernic (De revolutionibus)

1. La Terre dans le système solaire➢ Les lois de Kepler fondent les travaux de Newton qui l’amèneront à établir sa loi universelle de

la gravitation à la fin du XVIIe siècle

Armé de cette loi, l’orbite terrestre ainsi que celles des autres planètes du système solaire s’explique avec une précision remarquable et permet même la découverte de nouvelles planètes : Uranus par Herschel en 1781, et Neptune par Le Verrier en 1846.

Avecla constante de gravitation

1. La Terre dans le système solaire

➢ La Terre est la 3ème planète d’un système solaire constitué de 8 planètes

➢ Son orbite autour du soleil est notamment responsable du phénomène des saisons

1. La Terre dans le système solaire➢ Exploration de l’Univers par l’Homme limitée à celle du système solaire➢ La sonde Voyager 1, du programme Voyager (NASA), lancée en 1977, est aujourd’hui l’objet

humain le plus éloigné de nous dans l’Univers

→ a franchi l’héliopause en 2012 (à 85 UA du soleil) et se balade depuis dans le milieu interstellaire...

Voyager 1 Trajectoires des sondes

2. Le soleil dans la Voie lactée

Notre galaxie, la Voie lactée(La Silla, Chili)

2. Le soleil dans la Voie lactée➢ Galaxie : assemblage d’étoiles (de l’ordre de centaines de milliards), de gaz, de poussière et de

matière noire

➢ Diamètre de l’ordre de 100 000 années lumières➢ A son centre se trouve un trou noir supermassif pesant environ

Vue d’artiste de notre galaxie

2. Le soleil dans la Voie lactée

Du problème de la masse manquante à la matière noire :➢ Lien entre la vitesse orbitale des étoiles et la répartition de masse donnée par la troisième loi de

Kepler :

➢ Répartition de masse déduite de la luminosité de la galaxie en supposant un rapport masse sur luminosité à peu près constant→ permet notamment d’estimer la masse stellaire de la Voie lactée à (dans un rayon de 50 000 années lumières)

2. Le soleil dans la Voie lactée➢ Courbes de rotation de la galaxie ne permet pas d’expliquer la répartition de masse observée

(Vera Rubin, années 1970)

→ Il faut introduire une matière invisible pour expliquer ces courbes appelée matière noire !Et la matière noire de la Voie lactée doit peser au moins aussi lourd que la masse stellaire !

Courbes observationnelle (bleue) et attendue (orange) de rotation de la Voie lactée

3. La Voie lactée dans le Groupe local➢ Hubble comprend au début des années 1920 que les objets diffus du ciel appelés alors

« nébuleuses » sont en fait des univers-îles, baptisés galaxies→ les dimensions déjà vertigineuses de l’Univers explosent encore plus

➢ Notre galaxie et ses plus proches voisines constituent le Groupe local

Galaxie d’Andromède

3. La Voie lactée dans le Groupe local

Représentation du Groupe local

3. La Voie lactée dans le Groupe local➢ Le Groupe local fait lui même partie d’une structure plus grande appelée superamas de la

Vierge➢ Le superamas de la Vierge est inclus dans le superamas Laniakea, qui fait une taille de 520

millions d’années-lumière➢ Ces superamas constituent la Toile cosmique, faite de filaments de matière, de nœuds et de

grandes zones de vide

Simulation numérique de la Toile cosmique

4. Quels instruments d’observation ?➢ Télescopes pour l’observation de la lumière

→ technologie dépend de la fréquence d’observation

Le VLT au Chili

Satellite Planck Vue d’artiste du télescope SKA

4. Quels instruments d’observation ?

La Voie lactée observée sur plusieurs gammes de fréquences

4. Quels instruments d’observation ?➢ Un détecteur à neutrinos pour l’observation des neutrinos

Le détecteur Super-Kamiokande (Japon)

4. Quels instruments d’observation ?➢ Détection d’ondes gravitationnelles

→ Permet une nouvelle astronomie dite multi-messagers

Détecteur VIRGO (Italie)

II. Notions de cosmologie

1. Un univers en expansion➢ Manifestation de l’expansion de l’Univers sur les diagrammes de Hubble

→ mène à la loi de Hubble-Lemaître :

● Vitesses mesurées par effet Doppler :

● Distances mesurées grâce aux céphéides

1. Un univers en expansion➢ Expansion de l’univers et gâteau au raisin :

➢ Perlmutter et Riess montrent même en 1998 que l’expansion de l’univers s’accélère !(Prix Nobel 2011)

➢ Si on passe le film à l’envers : idée d’un moment où les astres étaient beaucoup plus proches les uns des autres, donc d’un univers plus dense et plus chaud→ point de départ de la théorie du Big Bang

2. Dynamique et contenu de l’Univers

La description de la dynamique de l’Univers passe par la relativité générale :

➢ Principe cosmologique d’homogénéité et d’isotropie de l’Univers mène à un Univers dont la géométrie est décrite par la métrique de Friedmann-Lemaître

→ c’est la fonction a(t), appelée facteur d’échelle, qui décrit cette expansion de l’Univers

➢ Dynamique de l’Univers décrite par l’équation d’Einstein :

→ traduit une interdépendance entre la géométrie de l’Univers et son contenu en énergie/matière

2. Dynamique et contenu de l’Univers

Mais de quoi est constitué l’Univers ?➢ De la matière ordinaire : celle que l’on voit et que l’on connaît➢ De la matière noire : invisible, froide, interagit gravitationnellement➢ De l’énergie noire : énergie responsable de l’accélération de l’expansion de l’Univers, de nature

inconnue

Contenu en énergie de l’Univers

A la base du modèle Lambda-CDM !

2. Dynamique et contenu de l’Univers

Histoire de l’Univers

3. Limites de l’Univers ?➢ On ne sait pas si l’Univers est fini ou infini➢ Mais il existe des limites observables : plus on observe loin, plus on observe dans le passé, et

l’âge de l’Univers lui est fini !

Représentation de l’Univers observable en échelle logarithmique

• Système solaire• Étoiles proches de la Voie lactée• Galaxies voisines• Toile cosmique• Fond diffus cosmologique• ?

3. Limites de l’Univers ?➢ Pour la lumière, la limite observable est le fond diffus cosmologique➢ Émis 380 000 ans après le Big Bang, il correspond à l’émission d’un corps noir presque parfait,

aujourd’hui à la température de 2,725 K➢ Émission est remarquablement homogène, mais ces écarts à l’homogénéité, les anisotropies de

température, sont une source formidable d’informations sur l’Univers primordial

Fluctuations de température du fond diffus cosmologique vues par le satellite Planck

3. Limites de l’Univers ?➢ Le fond diffus cosmologique s’étudie à travers son spectre de puissance, qui mesure

l’amplitude des fluctuations de température en fonction de la taille angulaire sur la voûte céleste

Vers les petites tailles angulaires

Conclusion➢ L’astronomie nous situe dans un univers aux dimensions vertigineuses➢ Nos instruments d’observation nous dotent de sens nouveaux qui fondent une astronomie dite

multi-messagers➢ L’Univers dans son ensemble est dans une phase d’expansion accélérée➢ La relativité générale relie la géométrie de l’Univers à son contenu en énergie et matière qui

reste en grande partie très mystérieux➢ La question de la finitude de l’Univers reste insoluble, néanmoins l’Univers observable est bel et

bien fini➢ Nous sommes capables de sonder ces limites avec une précision remarquable, précisant ainsi

notre modèle cosmologique

Pour le cours prochain...

Le jeudi 7 janvier 202117h30 – 19h30

La physique du climatThibaud Richard