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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.

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1 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 »

2 Les fondements de la physique:  La mécanique :   Conservation de l’énergie La relativité générale (= mécanique classique)   La mécanique quantique  Les 4 interactions :  Gravitation  Electromagnétisme  Nucléaire faible  Nucléaire forte

3 La Grande Unification « GUT » :  Mécanique quantique + Relativité générale  Unification des 4 forces : électromagnétique nucléaire faible nucléaire forte gravitation Une théorie physique qui pourrait être validée au cours du XXIième siècle.

4 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 »

5 Les effets des GUTs :  E > 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

6 L’Inflation:

7 Expliquer Le Big Bang avec les GUT à E > GeV

8 Graves  Grands motifs Aiguës  Petits motifs

9 Microgravité en apesenteur : satellites Hyper (Europe) et Microscope (France) => Mesurer les variations de G aux échelles < 1 mm « Corde de matière » Attraction en 1/r 2 à grande distance, Loi différente à petite échelle Notre Univers

10 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 (10 10 années lumière) MgI, MgII, AlII, AlIII, SiII, CrII, FeII, NiII, ZnII MgI, etc … QuasarObservateur

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12 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

13 Les télescope Keck à Hawaï (fondation Caltech)

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15 Résultat positif en 2001 ! Murphy et al. 2001, MNRAS 327, 1208 :  Télescope US Keck de 10 mètre à Hawaï  = (-7,2 +- 1,8 ) 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

16 Les télescopes de 8 mètres de l’observatoire Européen ESO au Chili

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20 Résultat démenti par les télescopes Européens de l’ESO !

21 L’astronomie des ondes de gravitation

22  L’astronomie Photonique Photon (i.e. onde électromagnétique) => transporte la force entre les charges électriques (en général les électrons) e- Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur e- Charges en mouvement dans le détecteur Photon  I: Courant électrique  T: Chauffage par effet Joule

23  L’astronomie de Ondes de Gravitation Graviton (i.e. onde de gravitation) => transporte la force entre les masses (la matière !) m Masses en mouvement dans l’objet observé graviton Mise en mouvement de masses tests m1m1 m2m2 Mesure de leur distance par interférométrie laser

24  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 mètres

25  LISA : le futur Observatoire spatial Européen à ondes de gravitation

26  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 !

27 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.

28 Simulation des ondes de gravitation émises deux trous noirs qui tombent l’un sur l’autre :

29  Objets astrophysiques observables avec LISA Les étoiles denses et trous noirs binaires qui « collapsent »

30 Methode Scientifique: Mesure et Théorie : 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

31 - 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

32 - 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

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


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