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LAstronomie: Observer lUnivers Martin GIARD, CESR-CNRS.

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1 LAstronomie: Observer lUnivers Martin GIARD, CESR-CNRS

2 Les 4 piliers du Big Bang: Lexpansion de lUnivers Le rayonnement fossile Les abondances de H, He, D La formation des galaxies et des amas de galaxies Lexpansion de lUnivers Le rayonnement fossile La formation des galaxies et des amas de galaxies Les abondances de H, He, D

3 -270,4252°-270,4248° océans continents 5°25° -55°35° ciel La représentation du ciel = Projection dune sphère vue de lintérieur La représentation de la Terre = Projection dune sphère vue de lextérieur

4 Ciel visible un soir dété

5 La Voie Lactée = Notre Galaxie:

6 Ciel visible

7 Poussières noires dans la Voie Lactée :

8 La voie Lactée Infrarouge :

9 La Galaxie NCG 891

10 Observer lUnivers grâce à la détection : - Des photons: 99 % de lastronomie - Des rayons cosmiques: marginal, car déviés par les champs magnétiques interstellaires (projet HESS) - Des ondes de gravitation: > 2010, projets VIRGO (sol) et LISA (espace)

11 Les méthodes de lastronomie: Lastronomie Photonique Le Rayonnement Cosmique Les Ondes de Gravitation

12 Lastronomie Photonique Photon (i.e. onde électromagnétique) => transporte la force entre les charges électriques (en général les électrons) e- Charges en mouvement dans lobjet observé Colimateur e- Charges en mouvement dans le détecteur Photon I: Courant électrique T: Chauffage par effet Joule

13 Lastronomie de Ondes de Gravitation Graviton (i.e. onde de gravitation) => transporte la force entre les masses (la matière !) m Masses en mouvement dans lobjet observé graviton Mise en mouvement de masses tests m1m1 m2m2 Mesure de leur distance par interférométrie laser

14 Les sciences de linstrumentation photonique: - Collecteur de photons : Optique - Détecteur : Physique du solide - Amplificateur : Electronique filtres & conversion numérique - Traitements numériques : Mathématiques Appliquées

15 Astronomie photonique, principe de base - Loi du retour inverse: Si les photons suivent un chemin, ils peuvent aussi suivre le chemin inverse en subissant les phénomènes opposés Absorption => Emission Emission => Absorption

16 Le retour inverse: e- Charges en mouvement dans lobjet observé Colimateur e- Charges en mouvement dans le détecteur Photon I: Courant électrique T: Chauffage par effet Joule

17 Le retour inverse: e- Charges en mouvement dans lobjet observé Colimateur e- Charges en mouvement dans le détecteur Photon I: Courant électrique T: Chauffage Emissions Absorption

18 Le retour inverse: e- Charges en mouvement dans lobjet observé Colimateur e- Charges en mouvement dans le détecteur Photon I: Courant électrique T: Chauffage par effet Joule Emission Absorption

19 Conséquence du retour inverse : La loi de Kirchoff Absorptivité = Emissivité Q abs = Absorption : I (Wm -2 sr -1 ) Q abs = P(T) Température = T Loi du corps noir Q abs I Q abs = Emission :

20 « Visible »« Infrarouge »

21 Les corps qui interragissent bien avec le rayonnement: Ceux qui ont des électrons mobiles Les métaux : électrons libres => bons réflecteurs, peu émissifs Les plasmas = Gaz complètement ionisé : => Diffuseur parfait, opacité aux ondes radio Les solides : Électrons de conduction + effet Joule => Absorbants, et émetteurs (si Température)

22 Poussières noires dans la Voie Lactée : absorbant Visible

23 Poussières noires dans la Voie Lactée : émetteur Infrarouge

24 Les couleurs des photons: (Hertz) = fréquence doscillation des charges électrique qui émettent ou absorbent (Mètre) = Longueur donde = / c E (Joule / ou eV) = Energie = h / c 1 eV = 1,6 e-19 Joule radio Maximum démission du corps noir Energie (eV) T (° K) infrarouge visible UV rayons X rayons gamma

25 radio Maximum démission du corps noir Energie (eV) T (° K) infrarouge visible UV rayons X rayons gamma

26 Le ciel Radio: = 21 cm: Émission de lhydrogène atomique = 2,6 mm: Émission du monoxyde de carbonne

27 Le ciel Infrarouge = 0.24 mm Émission des poussières = 3,3 µm: Émission des molécules organiques

28 Le ciel infrarouge = 3,5 µm Émission des étoiles Le ciel visible = 0,5 µm: Émission des étoiles absorbée par les poussières

29 Le ciel X = 750 eV Émission du gaz très chaud (reste dune Supernova) = 30 keV Émission des objets compacts binaires: étoiles à neutron et trous noirs

30 Le ciel gamma = 511 keV Anihilation des électrons / positrons > 100 MeV Collisions entres les rayons cosmiques galactiques et le gaz interstellaire = 0,24 mm poussières

31 Le ciel Infrarouge = 0.24 mm Émission des poussières = 3,3 µm: Émission des molécules organiques

32 Cest en comparant les longueurs donde que lon comprend lUnivers Nébuleuse dOrion : étoiles jeunes dans un halo Carte du gaz interstellaire Conclusion => le gaz sassemble en étoiles

33 Photons cosmologiques : T = 2,73 K Univers neutre Univers ionisé Surface de dernière diffusion La Galaxie Big bang Structuration de lUnivers Distance (années lumière) z = Le projet PLANCK: Cartographier le rayonnement fossile avec une précision de K

34 Herschel : un observatoire submillimétrique spatial de 3,5 mètres Planck : Une sonde thermique ultra-sensible pour cartographier le résidu du « Big-Bang » Un besoin commun : Séloigner à km de la terre pour bénéficier dun environnement « propre » Euros ! Plus de 500 chercheurs dans environ 150 instituts de recherche dEurope et dAmérique du Nord Une collaboration internationale sous maîtrise dœuvre de lASE, en collaboration avec la NASA

35 Herschel et Planck: Lancement en 2007 avec Ariane 5

36 CMB : T = 2,73 K Univers ionisé Univers neutre D = 10 2 pc 10 9 pc pc Surface de dernière diffusion Big bang Planck Surveyor: « une Affaire de Températures » Poussières ds les galaxies T = 30 à 100 K Effet S.Z. par les électrons chauds : T = K La Galaxie Poussières ds notre Galaxie T = 10 à 30 K Télescope: 60 K détecteurs : 0,1 K

37 - 230 °C °C 15 °C 40 °C Lumière du Soleil Le satellite PLANCK

38 Mission Planck : Responsabilité ASE Alcatel : Principal Contractant Industriel responsable du satellite HFI = Récepteur hautes fréquences. France (PI), USA, GB, Italie, Allemagne, Canada, … LFI = Récepteur basses fréquences. Italie (PI), USA, GB, Allemagne, Finlande, … Télescope de 1,5 mètres : Danemark

39 Découpage des tâches dans la construction de la chaîne des récepteurs bolométriques: RAL, GB JPL, USA IAS-Orsay, Fr CESR-Tlse, Fr LAL-Orsay, Fr Air Liquide, Fr Univ. Rome, It QMW, GB Cal Tech, USA

40 Linstrument HFI Plan Focal 0.1 K Module de Service 300K 18 K 50 K 80 K 140 K Photon / radiation absorbant thermomètre Thermomètres

41 Fonctionnement du bolomètre en équations Résistance 10 M à mesurer à près (µK / K)

42 PLANCK : 9 bandes de fréquence entre 30 et 850 GHz Permet de séparer les différentes sources de rayonnement Les gaz et les poussières dans la Voie Lactée Les galaxies dans lUnivers Le rayonnement fossile du Big-Bang

43 Ciel Micro-onde attendu

44 -270,4252°-270,4248° Ciel Micro-onde sans le dipole cosmologique

45 Le rayonnement fossile du Big-Bang

46 Graves Grands motifs Aiguës Petits motifs

47 Methode Scientifique: Mesure et Théorie : un peu de philosophie scientifique… - Quest ce que la méthode scientifique ? - Quest ce quune 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

48 - Exemple dune 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 lexistence dune 10 ième planète à partir des mouvements dUranus => J. Galle découvre Neptune 5 jours plus tard

49 - Exemple dune 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 : na jamais permis de prédire lapparition dun OVNI

50 Sites WEB à visiter: Ned Wright : Cambridge University (UK) : Waine Hu : Max Tegmark :


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