Le destin de l'universLe destin de l'univers

Dominique Boutigny

Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules

CNRS / IN2P3

La perception de l'univers La perception de l'univers àà travers les ages (1)travers les ages (1)

La vision que les hommes ont de l'univers a considérablement évoluée au cours des ages

• Moyens d'observations: L'œil, la lunette, le télescope spatial Hubble…

• Les croyances

• La connaissance des lois de la physique

Au Veme siècle avant JC en Grèce : Observation d'une éclipse de lune

La terre est ronde

L'univers à la forme d'une sphère creuse

La Terre est au centre de l'univers

Modèle d'univers d'Aristote (384 – 322 avant JC)

La perception de l'univers La perception de l'univers àà travers les ages (2)travers les ages (2)Aristote: Les astres (Lune, Mercure, Soleil, Mars, Venus, Jupiter et Saturne) sont placées dans des coquilles sphériques imbriquées les unes dans les autres. Les mouvements sont uniformesProblème: Lorsqu'on observe les planètes (astres errants), les mouvements ne sont pas uniformes, on voit même certaines planètes qui semblent rebrousser chemin, puis revenir dans le "bon sens"

La théorie ne rend pas compte des observations

Il faut inventer autre chose:

• On garde l'idée des astres qui se déplacent selon des cercles

• On ajoute la possibilité pour chaque planète de décrire un petit cercle supplémentaire (épicycles)Représentation de l'univers selon Ptolémée (2ème siècle après JC)

Mouvement rétrograde de Mars

Uranus

Crédit: & Copyright

Tunc Tezel

La perception de l'univers La perception de l'univers àà travers les ages (3)travers les ages (3)

Plus les mesures du mouvement des planètes s'affinent, plus il devient difficile de faire fonctionner le système de Ptolémée.XVI ème siècle: Nicolas Copernic (1473 – 1543):• Le Soleil est au centre de l'univers• La Terre tourne autour du soleil• La Lune tourne autour de la Terre• La Terre tourne sur elle-même et est inclinée sur son axe

• Les astres sont toujours accrochés à des "coques sphériquesKepler (1571 – 1630) : Lois régissant le mouvement des planètes

Galilée (1564 – 1642): Lunette astronomique – Principe de relativité: "Rien n'est immobile, tout dépend du référentiel dans lequel on se place"Newton (1642 – 1727): Théorie de l'attraction universelle

La démarche scientifiqueLa démarche scientifique

La mise au point de la théorie qui décrit le mouvement des planètes illustre les principes de la démarche scientifique:

1. Observation

2. Mise sur pied d'une théorie qui rend compte de l'observation

• Éventuellement: prédiction de la théorie

3. Nouvelle observation

4. Mise en échec de la théorie

5. Ajustement de la théorie pour rendre compte de l'observation

6. Observation

7. De temps en temps: bouleversement complet des conceptions de la physique

8. Etc ….Les théories ont toujours un domaine de validité

L'élargissement du domaine d'observation entraîne souvent une remise en cause de la théorie

La conception moderne de La conception moderne de l'universl'univers

La CosmologieLa Cosmologie

Spectre de la lumièreSpectre de la lumièreLorsqu'on fait passer de la lumière blanche a travers un prisme, celui-ci la décompose en différentes couleurs ou longueurs d'ondes Spectre

Onde courtes: Bleu – violet – ultra-violet…

Ondes longues: Rouge – infra-rouge…L'analyse du spectre permet de déterminer les caractéristiques de la source lumineuse

La position des raies d'absorption ou d'émission permet de caractériser la composition de la source

Fer

Hydrogène

L'effet Doppler-FizeauL'effet Doppler-Fizeau

La voiture se rapproche, le son est aigu

La voiture s'éloigne, le son est grave

Observateur

Toute onde (sonore, radio, lumineuse….) émise par une source en mouvement est décalée :

• Vers les petites longueurs d'ondes lorsqu'elle se rapproche de l'observateur – La lumière est décalée vers le bleu

• Vers les grandes longueurs d'ondes lorsqu'elle s'éloigne - La lumière est décalée vers le rougeLe décalage dépend de la vitesse de la source / l'observateur

Application: Le radar

routier

L'univers en expansion (1)L'univers en expansion (1)En 1923 Edwin Hubble se rend compte que certaines "nébuleuses" sont situées bien au delà de notre galaxie et sont en fait d'autres galaxies

En 1929 Edwin Hubble fait l'hypothèse suivante:

"Plus une galaxie est éloignée, plus son diamètre apparent doit être petit"

Crédit & Copyright: O. Lopez-Cruz (INAOEP) et al.,

AURA, NOAO, NSF

Il mesure les spectres de la lumière en provenance de ces galaxies

Hubble se rend compte que les spectres sont décalés vers le rouge et que plus la galaxie est éloignée plus le décalage est important

Les galaxies s'éloignent de nous et plus les galaxies sont loin, plus elles s'éloignent vite – Le phénomène est le même dans toutes les directions !!!

Loi de Hubble: V = H.R

V: vitesse de récession

R: Distance

H: Constante de Hubble

L'univers en expansion (2)L'univers en expansion (2)La découverte de Hubble montre que dans le passé les objets célestes étaient bien plus proches les uns des autres

Si on remonte le temps on arrive à un instant où tout l'univers était concentré dans une petite région de l'espace

Théorie du Big-BangIl ne faut pas se représenter l'expansion de l'univers comme

une explosion: c'est l'espace lui même qui se dilate

Crédit:: http://nrumiano.free.fr/Fcosmo/cg_bb.html

Une galaxie à située à 2,4 milliards d’années-lumière de nous s’éloigne à 51 000 km /s

Il n'y a pas de centre pour cette expansion. Chaque galaxie voit ses voisines s'éloignerDe même que des grains de raisins dans un cake en train de cuire s'éloignent les uns des autres !!!

L'univers en expansion (3)L'univers en expansion (3)Les supernova sont des étoiles en fin de vie qui explosent avec une violence extrême

La luminosité des supernova est telle que l'on peut en repérer à des distances considérables

Si on connaît la distance de la supernova et son décalage vers le rouge, alors peut tester la loi de Hubble sur des astres qui ont émis leur lumière il y a plusieurs milliards d'années

La vitesse d'expansion de l'univers s'accélère

Confirmé en 2001 par le télescope spatial Hubble

Grande distance On remonte loin dans le temps

Le rayonnement de fond Le rayonnement de fond cosmologique (1)cosmologique (1)

En 1965 Penzias et Wilson utilisent une antenne géante et ne parviennent pas à éliminer un bruit parasite

Ces parasites sont des micro-ondes qui proviennent de toutes les directions

En fait, ce rayonnement provient de l'espace tout entier Rayonnement fossile à ~3o K

Pendant 300 000 ans, l'univers est totalement opaque. Puis, en se refroidissant, à un instant donné, la lumière (le rayonnement) peut se propager librement.

DécouplageLe rayonnement fossile est une photographie instantanée de cet instant, c'est

la plus vieille "lumière" de l'univers

Le rayonnement de fond Le rayonnement de fond cosmologique (2)cosmologique (2)

Le rayonnement cosmologique a été mesuré avec une grande précision par le satellite WMAP

La température est presque constante (2.73 oK) avec de minuscules fluctuations

Chaud

Froid

Tiède

L'inflationL'inflation

L'homogénéité de la température pose un sérieux problème:

Comment des régions de l'espace aussi éloignées et qui n'ont jamais été en contact, peuvent-elle avoir la même température?

Problème de la causalitéL'hypothèse de l'inflation

On pense, que l'univers est passé par une phase d'expansion très rapide lors de ces premiers instants (10-

35s)

Le rayon de l'univers croît d'un facteur 1050 en un temps très court

Univers fermé, ouvert ou plat ?Univers fermé, ouvert ou plat ?

Univers fermé: Le taux d'expansion de l'univers est insuffisant pour équilibrer les forces de gravité. – L'univers va se re-contracter "Big Crunch"

2 effets s'opposent: L'expansion qui tend à écarter les éléments de l'univers et les forces de gravitation qui tendent à les rapprocher.

Tout depend de la densité de l'univers: paramètre

Univers ouvert: Le taux d'expansion de l'univers l'emporte sur les forces de gravité. – L'univers va se diluer à l'infini

Univers plat: Le taux d'expansion de l'univers compense exactement les forces de gravité. 2 atomes / m3)– L'univers s'étend à l'infini, mais son taux d'expansion tend vers zéro

L'univers plat semble très improbable, pourtant c'est l'hypothèse actuellement privilégiée et l'inflation peut rendre compte de ce cas de figure

On ne voit pas tout !On ne voit pas tout !On peut estimer la masse de l'univers à partir de la matière visible

La seule façon d'expliquer les vitesses de rotation dans les galaxies est de supposer qu'il y a (beaucoup) de matière loin du centre que l'on ne voit pas

Galaxie spirale

Vitesse de rotation / Rayon

Il manque 90% de la matière !!!

Matière Noire ???

On ne sait pas de quoi est faite cette matière

Ce qu'on sait de l'univers en 2003Ce qu'on sait de l'univers en 2003

L'univers est en expansion

L'expansion s'accélère

Il y a de la matière noire

La grande homogénéité de la température de l'univers conduit à l'hypothèse de l'inflation

Il y a tout de même des petites fluctuations de température

Mesures de WMAP

Mesures des supernova lointaines

Matiere habituelle

4%

Matiere noire23%

Energie noire73%

L'univers est âgé de 13,7 milliards d'années

Les premières étoiles se sont allumées 200 million d'années après le Big-Bang

Il semble bien que l'univers soit plat ( On n'a que très peu d'idées sur la

nature de l'énergie noire !!!

Le futur…Le futur…Le télescope spatial JDEM détectera ~ 2000 supernova lointaines par an et mesurera leur décalage vers le rouge

Le satellite Planck mesurera la température de l'univers avec une très grande précision

Lancement en 2007 par Ariane

Tentatives de détection directe de la matière noire dans les laboratoires souterrain

RéférencesRéférences

Biographies des physiciens célèbres: http://www.infoscience.fr/histoire/biograph/biograph_som.html

Spectre de la lumière: http://www.learner.org/teacherslab/science/light/color/spectra/

Refaire les mesures de Edwin Hubble: http://jersey.uoregon.edu/hubble/Hubble_plugin.html

Site général sur la cosmologie: http://nrumiano.free.fr/ac_cg.html