L’Astronomie: Observer l’Univers Martin GIARD, CESR-CNRS

Les 4 piliers du Big Bang: L’expansion de l’Univers L’expansion de l’Univers Le rayonnement fossile Le rayonnement fossile La formation des galaxies et des amas de galaxies La formation des galaxies et des amas de galaxies Les abondances de H, He, D Les abondances de H, He, D

La représentation de la Terre = Projection d’une sphère vue de l’extérieur -270,4252° -270,4248° océans continents 5° 25° -55° 35° ciel La représentation du ciel = Projection d’une sphère vue de l’intérieur

Ciel visible un soir d’été

La Voie Lactée = Notre Galaxie:

Ciel visible

Poussières noires dans la Voie Lactée :

La voie Lactée Infrarouge :

La Galaxie NCG 891

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

Les méthodes de l’astronomie: L’astronomie Photonique Le Rayonnement Cosmique Les Ondes de Gravitation

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 Photon e- Charges en mouvement dans le détecteur DI: Courant électrique DT: Chauffage par effet Joule

L’astronomie de Ondes de Gravitation Graviton (i.e. onde de gravitation) => transporte la force entre les masses (la matière !) Mise en mouvement de masses tests m1 m2 m Masses en mouvement dans l’objet observé graviton Mesure de leur distance par interférométrie laser

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

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

Le retour inverse: Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur Photon e- Charges en mouvement dans le détecteur DI: Courant électrique DT: Chauffage par effet Joule

Le retour inverse: Absorption Emissions Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur Photon Absorption e- Charges en mouvement dans le détecteur DI: Courant électrique DT: Chauffage Emissions

Le retour inverse: Emission Absorption Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur Photon Emission e- Charges en mouvement dans le détecteur DI: Courant électrique DT: Chauffage par effet Joule Absorption

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

« Visible » « Infrarouge »

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)

Poussières noires dans la Voie Lactée : absorbant Visible

Poussières noires dans la Voie Lactée : émetteur Infrarouge

Les couleurs des photons: n (Hertz) = fréquence d’oscillation des charges électrique qui émettent ou absorbent l (Mètre) = Longueur d’onde = n / c E (Joule / ou eV) = Energie = h n / c 1 eV = 1,6 e-19 Joule radio Maximum d’émission du corps noir Energie (eV) T (° K) infrarouge visible UV rayons X rayons gamma

radio Maximum d’émission du corps noir Energie (eV) T (° K) infrarouge visible UV rayons X rayons gamma

Le ciel Radio: l = 21 cm: Émission de l’hydrogène atomique l = 2,6 mm: Émission du monoxyde de carbonne

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

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

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

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

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

Conclusion => le gaz s’assemble en étoiles C’est en comparant les longueurs d’onde que l’on comprend l’Univers Nébuleuse d’Orion : étoiles jeunes dans un halo Carte du gaz interstellaire Conclusion => le gaz s’assemble en étoiles

Surface de dernière diffusion Le projet PLANCK: Cartographier le rayonnement fossile avec une précision de 0.000 001 K Univers neutre Univers ionisé Structuration de l’Univers Big bang Photons cosmologiques : T = 2,73 K Surface de dernière diffusion La Galaxie Distance (années lumière)  100 1000 000 000 15 000 000 000 z = 0 1 10 1000

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 : S’éloigner à 1 500 000 km de la terre pour bénéficier d’un environnement « propre ». 650 000 000 Euros ! Plus de 500 chercheurs dans environ 150 instituts de recherche d’Europe et d’Amérique du Nord Une collaboration internationale sous maîtrise d’œuvre de l’ASE, en collaboration avec la NASA

Herschel et Planck: Lancement en 2007 avec Ariane 5

Planck Surveyor: « une Affaire de Températures » La Galaxie Poussières ds notre Galaxie T = 10 à 30 K Univers ionisé Univers neutre Télescope: 60 K détecteurs : 0,1 K Effet S.Z. par les électrons chauds : T = 100 000 000 K CMB : T = 2,73 K Big bang Poussières ds les galaxies T = 30 à 100 K Surface de dernière diffusion D = 102 pc 109 pc 5 109 pc

Le satellite PLANCK - 230 °C - 190 °C 15 °C 40 °C Lumière du Soleil

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

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

L’instrument HFI Plan Focal 0.1 K 18 K 50 K 80 K 140 K Photon / radiation absorbant Plan Focal 0.1 K thermomètre 18 K Thermomètres 50 K 80 K 140 K Module de Service 300K

Résistance  10 MW à mesurer à 10-6 près (µK / K) Fonctionnement du bolomètre en équations Résistance  10 MW à mesurer à 10-6 près (µK / K)

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 l’Univers Le rayonnement fossile du Big-Bang

Ciel Micro-onde attendu

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

Le rayonnement fossile du Big-Bang

Graves  Grands motifs Aiguës  Petits motifs

Methode Scientifique: Mesure et Théorie : un peu de philosophie scientifique… - Qu’est ce que la méthode scientifique ? Principe: Les mêmes causes produisent les mêmes effets => On peut faire des expériences reproductibles - Qu’est ce qu‘une bonne théorie ? 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

- 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: Ned Wright : http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm Cambridge University (UK) : http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/cos_home.html Waine Hu : http://background.uchicago.edu/~whu/beginners/introduction.html Max Tegmark : http://www.hep.upenn.edu/~max/index.html