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Les Révolutions de notre vision de lUnivers au XX ème Siècle.

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1 Les Révolutions de notre vision de lUnivers au XX ème Siècle

2 Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Plan 1 Point de départ et Contexte : Consolidation de la révolution de Copernic-Galilée-Newton Fin du géocentrisme : * La Terre tourne autour du Soleil et nest pas le centre du monde ; elle nest quune planète parmi dautres * Le Soleil nest quune étoile parmi des millions dautres * Il y a peut-être dautres mondes habités ? Invention et triomphes de la physique classique, * des lois de la mécanique (Galilée-Newton : 17e Siècle) * à celles de lélectricité, 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 galaxies 1920 Expansion de lUnivers modèle du Big Bang 1930 – 1960 …. Compréhension du fonctionnement des étoiles et de la fabrication des atomes des éléments chimiques Révélation du monde des très hautes énergies et des objets extrêmes : supernovae ; quasars-trous noirs, etc Exploration du Système Solaire 1960 …. Découverte des exo-planètes Questions pour le XXI ème Siècle

4 Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Point de départ REPERES SUR LASTRONOMIE DE 1900 (cf. livres de C. Flammarion) Consolidation de la révolution de Copernic-Galilée-Newton : Fin 16e et 17e siècles, lastronomie est reine et au cœur de : - labandon du géocentrisme (et de lanthropocentrisme) et du système de pensée dAristote - la naissance de la physique (Galilée et Newton) 18e et 19e siècles, lastronomie accompagne les triomphes de la science: math, physique… mais sur un mode relativement mineur et sans rupture majeure de la vision du Monde Certes : - Raffinements exquis de la mécanique du Système Solaire découverte de Neptune - Acquits majeurs de lexploration du monde des étoiles 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 LASTRONOMIE DE 1900 mais inévitable myopie, impasses et surprenantes limitations … Aucune idée des réelles échelles de dimensions, temps et énergies de lUnivers Physique limitée impossible de : - comprendre la source dénergie des étoiles et lâge de la Terre et donc du Soleil - a fortiori dimaginer les objets les plus extrêmes de lastronomie actuelle - aucune idée des échelles dénergie et de temps de lUnivers Notion de galaxie pas encore établie dimension apparente de lUnivers un million de fois plus petite que la réalité Conception de lUnivers terriblement indigente par rapport à la nôtre

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

7 Les grands sites astronomiques de lan 2000 : VLT/ESO Paranal Chili

8 Les grands sites astronomiques de lan 2000 : Mauna Kea Hawaï

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

10 Linterféromètre submillimétrique ALMA Chajnantor Chili vers 2012

11 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 latmosphère terrestre infrarouge, UV, rayons X, rayons gamma Les moteurs des révolutions de lastronomie du XXe siècle

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

13 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 latmosphère terrestre infrarouge, UV, rayons X, * Sondes dexploration du Système Solaire Les moteurs des révolutions de lastronomie du XXe siècle

14 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 latmosphère terrestre infrarouge, UV, rayons X, * Sondes dexploration du Système Solaire Informatique Manipulations dénormes masses de données, analyse raffinée du signal Les grands moteurs des révolutions de lastronomie du XXe siècle

15 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 lévolution des étoiles ( ) Sous-jacente à toute lastrophysique moderne : compréhension des astres, de leur histoire

16 Les grands moteurs des révolutions de lastronomie du XXe siècle 2. Les révolutions de la physique du début du XXe Siècle B.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 lespace et de la gravitation Applications cruciales à la cosmologie et aux trous noirs

17 1. Physique et évolution des étoiles ( ) 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 densemble, Compréhension détaillée de lévolution et de lâge des étoiles Cinq Percées majeures :

18 Massive Star Structure Schéma dune étoile très massive près dexploser en supernova

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

20 VIE ET MORT DES ETOILES Formation rapide par effondrement gravitationnel dune condensation de gaz interstellaire 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 « Explosion » finale très violente (supernovae) ou douce (nébuleuses) « Résidu» compact (naine blanche) ou très compact (étoile à neutrons) Longue période stable bien régulée de combustion de lhydrogène (~9 milliards dannées pour le Soleil) Enflure en géante rouge

21 Vie dune étoile de la masse du Soleil

22 Œil-de-Chat Hélice Lion GivréV838… Nébuleuses « planétaires »

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

24 Nébuleuse du Crabe Bulle filamenteuse en expansion autour dun 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 lunivers des astronomes était limité à ce quon sait maintenant être notre galaxie, la Voie Lactée Briques élémentaires de lUnivers La Voie Lactée Systèmes en évolution, différentes classes

26 Notre Galaxie, la Voie Lactée Prototype des galaxies spirales Carte de visite : milliards détoiles liées par les forces dattraction gravitationnelle pratiquement ponctuelles Rotation densemble (~100 km/s période quelques 100 millions dannées) Disque très très plat, surtout le gaz Bras spiraux lumineux (jeunes étoiles) ~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

27 M51 Andromède Galaxies spirales

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 dinteraction entre les étoiles et le milieu interstellaire Formation détoiles à partir du gaz tant quil y en a : ~1 M soleil par an dans la Voie Lactée Formation initiale dune boule de gaz sphérique par effondrement gravitationnel Ensuite formation détoiles, avec grandes flambées initiales (pour les galaxies spirales, la grande rotation aplatit dabord le gaz en disque) Mais aussi collisions/fusions de galaxies (fréquentes dans lUnivers jeune) Fortes perturbations ; nouvelles flambées de formation stellaire (fusion Voie Lactée-Andromède dans quelques milliards dannées) 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

30 Nébuleuse de lAigle 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 Sombrero Les Antennes Centaurus A Galaxie elliptique

33 Cinq Percées majeures : 3. Emergence dun modèle global (cosmologique) de lUnivers 3.1 LUnivers au grand large, uniformité On sait actuellement que lUnivers 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 lUnivers est uniforme, il na ni centre ni bords et est probablement infini Grande simplicité : létat global de lUnivers et son histoire, objets de la Cosmologie, dépendent seulement de quelques paramètres, aujourdhui assez bien connus

34 Cinq Percées majeures : 3. Emergence dun modèle global (cosmologique) de lUnivers 3.2 Expansion de lUnivers 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 dhydrogène et dhélium étoiles et galaxies (disposées plus ou moins en groupes, amas et grandes structures)

35 Schéma du modèle cosmologique « standard » actuel Très précis ; résulte dun nombre assez grand de recoupements de données dorigine variée, obtenues au prix dimmenses efforts dans les dernières années Large accord : Âge de lUnivers ~13.7 milliards dannées LUnivers 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 lénergie noire reste inconnue Nécessité dune phase initiale d « inflation » où les dimensions de lUnivers se sont accrues vertigineusement Il existe un couplage intime entre la physique des particules et la cosmologie du Big Bang, notamment dans la phase dinflation, avec de possibles interrogations sur des extra-dimensions de lespace, sa topologie, etc.

36 Schéma dHistoire de lUnivers Age de lUnivers en milliards dannées

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38 Nous sommes capables depuis quelques années de détecter des galaxies très lointaines dans lespace et le temps (plus de dix milliards dannées) et dobserver ainsi directement les principales phases de formation détoiles dans des galaxies analogues à la Voie Lactée, en particulier les violentes flambées initiales Hubble Ultra Deep Field

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40 Modélisation de la structure filamentaire de la distribution des galaxies dans lUnivers à léchelle de 300 millions dannées-lumière

41 Cinq Percées majeures : 4. LUnivers violent, aux frontières de la physique Révélations de sources dénergie infiniment plus puissantes que les étoiles : - Explosions de supernovae hypernovae/sursauts : des milliards de soleils - Quasars : jusquà un million de milliards de soleils !

42 « Restes » de supernovae témoins de la violence de lexplosion Crabe 1064 Tycho 16e Siècle

43 Modèle de binaire X Le gaz de la grosse étoile est aspiré et tombe très violemment sur lobjet compact

44 Cinq Percées majeures : 4. LUnivers violent, aux frontières de la physique Révélations de sources dénergie infiniment plus puissantes que les étoiles : - Explosions de supernovae hypernovae/sursauts : des milliards de soleils - Quasars : jusquà 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 cm 3 !) - 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 mc 2 ultra-relativiste Singularité/divergence de lespace, fortement courbé Forces gravitationnelles si intenses que « rien ne peut séchapper », pas même la lumière Enorme énergie communiquée à la matière qui est accrétée (« tombe ») sur le trou noir ; une partie est rayonnée avant lengloutissement quasar Dans certains cas, dénormes 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 mc 2 ultra-relativiste Singularité/divergence de lespace, fortement courbé Forces gravitationnelles si intenses que « rien ne peut séchapper », pas même la lumière Enorme énergie communiquée à la matière qui est accrétée (« tombe ») sur le trou noir ; une partie est rayonnée avant lengloutissement quasar Dans certains cas, dénormes 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 détoiles

48 Modèle de désintégration et engloutissement dune étoile par un Trou Noir massif

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

50 Cinq Percées majeures : 5.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 XXI ème Siècle

51 Exploration directe de tout le Système Solaire par sondes spatiales Lune : Apollo (1969) Mars : multiples missions : fabuleuses images Autres planètes et satellites Saturne/Titan (2005)

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53 Paysage Martien

54 Canyon géant sur Mars

55 Exploration directe de tout le Système Solaire par sondes spatiales Lune : Apollo Mars : multiples missions Autres planètes et satellites Etudes comparées de lévolution des planètes : atmosphère, intérieurs compréhension de leur formation et de lhistoire du Système Solaire Recherche de vie : Mars Europa, etc. Comètes (et asteroïdes) matière primitive interstellaire + Riche information de lanalyse chimique de météorites primitives Acides aminés

56 Sonde Cassini Saturne Anneaux en couleurs réelles Titan Sources de méthane dans un sol de glace ?

57 Exploration directe de tout le Système Solaire par sondes spatiales Lune : Apollo (1969) Mars : multiples missions : fabuleuses images Autres planètes et satellites Saturne/Titan (2005) Etudes comparées de lévolution des planètes : atmosphère, intérieurs compréhension de leur formation et de lhistoire du Système Solaire Recherche de vie : Mars Europa, etc. Comètes (et astéroïdes) matière primitive interstellaire + Riche information de lanalyse chimique de météorites primitives Acides aminés

58 Comète Hayakutate

59 Survol du noyau dune comète

60 Gigantesque éruption-tempête solaire (satellite SOHO)

61 Exo-Planètes La généralité des systèmes planétaires autour des étoiles était suspectée depuis longtemps Détection difficile : Terre qq millionèmes de la masse du Soleil ; Jupiter qq millièmes En fait détection tardive, mais plus facile que prévu : surprise de trouver des planètes massives tout près de certaines étoiles petit mouvement de létoile autour du centre de gravité étoile+planète Plus de cent exo-planètes connues Intense activité projets très pointus au sol et dans lespace pour détecter des planètes de masse terrestre et caractériser leur atmosphère : Oxygène = vie Un des grands objectifs qui dominera tout le XXIe Siècle

62 Première image directe dune exo-planète (à coté de son étoile naine brune) (ESO-VLT avril 2005)

63 Exobiologie Question centrale de notre plongée dans lUnivers Spéculations incessantes depuis des siècles sur lexistence dextra-terrestres 2 niveaux : 2.Apparition/devenir/survie des civilisations avancées ??? Colonisation assez rapide dune galaxie semble possible. Aucune trace avérée Possibilité dUnivers parallèles permettant de trouver les conditions exceptionnelles favorables à la vie : principe anthropique ????? 1.Origine de la vie Question dabord aux biologistes astronomes : rien ou peu (Lune ?) de spécial dans les conditions astronomiques de la Terre et du Système Solaire à laube de la vie milliers de milliards de systèmes équivalents dans lUnivers Lapparition de la vie est-elle banale ou unique ? Première réponse dans le Système Solaire : Mars, etc. Si la vie est trouvée est-elle apparentée à la vie terrestre ?

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65 Voies tracées et questions pour le XXIe Siècle - 1. Sur les rails 20 prochaines années : - Meilleurs paramètres cosmologiques - Détection des premières générations de galaxies et détoiles de lUnivers - Détection dondes gravitationnelles ; fusion de trous noirs massifs, etc. - Arpentage de la Voie Lactée (GAIA) - Premières exo-planètes terrestres - Echantillons de comète matière prébiotique - Echantillons martiens Vie ou non sur Mars

66 Voies tracées et questions pour le XXIe Siècle - 2. Dans le Siècle : - LHomme sur Mars - Vie ou non ailleurs dans le Système Solaire. - Analyse des exo-planètes terrestres Vie ou non - Analyse de la matière pré-biotique : comètes, etc. - Connaissance intime de la Voie Lactée - Recherche très significative par radio des civilisations technologiques de la Voie Lactée - Mais on peut parier que la plupart des autres découvertes majeures répondront aux questions difficiles suivantes ou à des questions non encore formulées.

67 Voies tracées et questions pour le XXIe Siècle - 3. Questions difficiles (reliées à la physique des particules, dont les réponses peuvent être proches ou lointaines) - Nature de la matière noire - Origine de la réaccélération - Physique de linflation et avant - Possibilité/nécessité de dimensions supplémentaires de lUnivers et de topologie non triviale ? Plus : - Vie/Intelligence extraterrestre (origine de la vie) - (Principe anthropique)

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70 z D phot (Gpc) z= z= ~ 300 million ~ 3.5 billion z ~ 7 – 20 ? - Reionization PopIII stars +1st galaxies -Formation of 1st galaxies Pop. II stars - First AGN z ~ 4 – 7 : Current frontier - Galaxies and QSOs detection - End of reionization z ~ : - Peak of star formation submm sources + LBGs - Peak of QSO activity Proto-cluster formation z ~ : Final phase of active star formation - ISOCAM sources - Weak X-ray AGN - Cluster formation

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