TIC : un enjeu pour la Franche-Comté (rapport CESR, juin 2001)
L’Astronomie et la physique fondamentale Martin GIARD, CESR-CNRS Utiliser l’Univers comme un...
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L’Astronomie et la physique fondamentale
Martin GIARD, CESR-CNRS
Utiliser l’Univers comme un laboratoire pour établir/vérifier les lois de la physique
- Le Big Bang et l’unification des 4 forces
Variation des constantes Universelles ?
- Le Big Bang, les 4 forces et la mécanique quantique
La Grande Unification: Théories des cordes et des membranes, et inflation
- Les trous noirs
Vérification de la relativité générale
-Les ondes gravitationelles
=> Invention de l’astronomie non « photonique »
Les fondements de la physique:
La mécanique :
Conservation de l’énergie
mf
La relativité générale (= mécanique classique)
La mécanique quantique H
dt
d
Les 4 interactions :
Gravitation Electromagnétisme Nucléaire faible Nucléaire forte
2d
mGmf
20
d
qqf
?f
?f
La Grande Unification « GUT » :
Mécanique quantique + Relativité générale
Unification des 4 forces :
électromagnétique nucléaire faiblenucléaire fortegravitation
Une théorie physique qui pourrait être validée au cours du XXIième siècle.
L’ingrédient de base des « GUT » :
Les cordes cosmiques dans un Univers à 10 ou 11 dimensions dont 6 à 7 sont « compactées »
Cf article de Pierre Ramond dans le N°300 de « Pour La Science »
Les effets des GUTs :
E > 1018 GeV (unification des 4 interactions)
Le Big-Bang => observation des fluctuations primordiales MAP, PLANCK etc …
La gravitation change à petite échelle :
Expériences de microgravité, MICROSCOPE au CNES, STEP à l’ESA
Les lois de la physique changent avec l’énergie de l’Univers
Mesure de la variation de la constante de structure fine à grand z
L’Inflation:
Expliquer Le Big Bang avec les GUT à E > 1018 GeV
Graves
Grands motifs
Aiguës
Petits motifs
Microgravité en apesenteur : satellites Hyper (Europe) et Microscope (France)
=> Mesurer les variations de G aux échelles < 1 mm
« Corde de matière »
Attraction en 1/r2 à grande distance, Loi différente à petite échelle
Notre
Univers
Variation de la constante de structure fine, avec l’age de l’Univers,
Mesure des fréquences des raies d’absorption des ions dans des bulles de gaz ionisées en direction de quasars lointains (1010 années lumière)
MgI, MgII, AlII, AlIII, SiII, CrII, FeII, NiII, ZnII
hc
e2
MgI, etc …
QuasarObservateur
Résultat positif en 2001 !
Murphy et al. 2001, MNRAS 327, 1208 :
Télescope US Keck de 10 mètre à Hawaï
= (-7,2 +- 1,8 ) 10-6
Les télescope Keck à Hawaï (fondation Caltech)
Les télescope Keck à Hawaï (fondation Caltech)
Résultat positif en 2001 !
Murphy et al. 2001, MNRAS 327, 1208 :
Télescope US Keck de 10 mètre à Hawaï
= (-7,2 +- 1,8 ) 10-6
Résultat négatif en 2004 !
Quast et al 2004, A&A 415, L7 :
Télescope Européen de 10 mètre au Chili
= (0,1 +- 1,7 ) 10-6
Les télescopes de 8 mètres de l’observatoire Européen ESO au Chili
Les télescopes de 8 mètres de l’observatoire Européen ESO au Chili
Résultat démenti par les télescopes Européens de l’ESO !
L’astronomie des ondes de gravitation
L’astronomie Photonique
Photon (i.e. onde électromagnétique)=> transporte la force entre les charges électriques (en général les électrons)
e-
V
Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur
e-Charges en mouvement dans le détecteur
Photon
I: Courant électrique
T: Chauffage par effet Joule
L’astronomie de Ondes de Gravitation
Graviton (i.e. onde de gravitation)=> transporte la force entre les masses (la matière !)
m
V
Masses en mouvement dans l’objet observé graviton
Mise en mouvement de masses tests
m1
m2
Mesure de leur distance par interférométrie laser
LISA : le futur Observatoire spatial Européen à ondes de gravitation
Principe:
Interféromètrie laser entre trois satellites en triangle
Mesure des distances sur 5 million de km avec une précision meilleure que l’Angström !
Possibilité de mesurer des variations de la métrique de l’ordre de 10-20 mètres
LISA : le futur Observatoire spatial Européen à ondes de gravitation
Objets astrophysiques observables avec LISA
Les étoiles denses et trous noirs binaires qui « collapsent »
On sait que le centre de chaque Galaxie contient un ou plusieurs trous noirs !
Au centre de la Voie Lactée :Un trou noir géant dont la masse est
5 millions de fois celle du Soleil !
Résultat des VLT Européens.
Simulation des ondes de gravitation émises deux trous noirs qui tombent l’un sur l’autre :
Objets astrophysiques observables avec LISA
Les étoiles denses et trous noirs binaires qui « collapsent »
Methode Scientifique: Mesure et Théorie : Methode Scientifique: Mesure et Théorie : un peu de philosophie scientifique…un peu de philosophie scientifique…
- Qu’est ce que la méthode scientifique ?
- Qu’est ce qu‘une bonne théorie ?
Principe: Les mêmes causes produisent les mêmes effets
=> On peut faire des expériences reproductibles
1/ Une théorie qui explique des observations variées et compliquées à partir de quelques principes simples
2/ Une théorie qui est capable de faire des prédictions
- Exemple d’une bonne théorie :
La loi de la gravitation de Newton:
- Explique la chute des pommes et le mouvement de la Lune !
- Permet de calculer la quantité de carburant à mettre dans les fusées et de les piloter.
-En 1846 Le Verrier prédit l’existence d’une 10 ième planète à partir des mouvements d’Uranus
=> J. Galle découvre Neptune 5 jours plus tard
2D
MGMF
- Exemple d’une mauvaise théorie :
Les « Petits hommes verts »
- Bon : un principe simple qui explique des observations très différentes: les OVNIs, les champs de maïs coupés, les vaches affolées, etc ….
- Mauvais : n’a jamais permis de prédire l’apparition d’un OVNI
Sites WEB à visiter:
http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm
http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/cos_home.html
Ned Wright :
Cambridge University (UK) :
http://background.uchicago.edu/~whu/beginners/introduction.html
Waine Hu :
http://www.hep.upenn.edu/~max/index.html
Max Tegmark :