Les Révolutions de notre vision de l’Univers au XXème Siècle

1543-1900 Consolidation de la révolution de Copernic-Galilée-Newton Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Plan 1 Point de départ et Contexte : 1543-1900 Consolidation de la révolution de Copernic-Galilée-Newton Fin du géocentrisme : * La Terre tourne autour du Soleil et n’est pas le centre du monde ; elle n’est qu’une planète parmi d’autres * Le Soleil n’est qu’une étoile parmi des millions d’autres * Il y a peut-être d’autres mondes habités ? Invention et triomphes de la physique classique, * des lois de la mécanique (Galilée-Newton : 17e Siècle) * à celles de l’électricité, 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

Emergence de la notion de galaxies 1920 Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Plan 2 Cinq Percées majeures : Emergence de la notion de galaxies 1920 Expansion de l’Univers  modèle du Big Bang 1930 – 1960 …. Compréhension du fonctionnement des étoiles et de la fabrication des atomes des éléments chimiques 1940 - 1950 Révélation du monde des très hautes énergies et des objets extrêmes : supernovae ; quasars-trous noirs, etc. 1915 - 1960 Exploration du Système Solaire 1960 …. Découverte des exo-planètes. 1995   Questions pour le XXIème Siècle

REPERES SUR L’ASTRONOMIE DE 1900 (cf. livres de C. Flammarion) Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Point de départ REPERES SUR L’ASTRONOMIE DE 1900 (cf. livres de C. Flammarion) 1543-1900 Consolidation de la révolution de Copernic-Galilée-Newton : Fin 16e et 17e siècles, l’astronomie est reine et au cœur de : - l’abandon du géocentrisme (et de l’anthropocentrisme) et du système de pensée d’Aristote - la naissance de la physique (Galilée et Newton) 18e et 19e siècles, l’astronomie 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 l’exploration 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 …

REPERES SUR L’ASTRONOMIE DE 1900 Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Point de départ REPERES SUR L’ASTRONOMIE DE 1900   mais inévitable myopie, impasses et surprenantes limitations … Aucune idée des réelles échelles de dimensions, temps et énergies de l’Univers Physique limitée  impossible de : - comprendre la source d’énergie des étoiles et l’âge de la Terre et donc du Soleil - a fortiori d’imaginer les objets les plus extrêmes de l’astronomie actuelle -  aucune idée des échelles d’énergie et de temps de l’Univers Notion de galaxie pas encore établie  dimension apparente de l’Univers un million de fois plus petite que la réalité  Conception de l’Univers terriblement indigente par rapport à la nôtre

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

Les grands sites astronomiques de l’an 2000 : VLT/ESO Paranal Chili

Les grands sites astronomiques de l’an 2000 : Mauna Kea Hawaï

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

L’interféromètre submillimétrique ALMA Chajnantor Chili vers 2012

Prodigieuses progression des techniques Les moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle 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 l’atmosphère terrestre  infrarouge, UV, rayons X, rayons gamma

Télescopes et sondes spatiaux Herschel 2007 Hubble Planck 1967 Rosetta 2004- Darwin vers 2015

Prodigieuses progression des techniques Les moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle 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 l’atmosphère terrestre  infrarouge, UV, rayons X,  * Sondes d’exploration du Système Solaire

1. Prodigieuses progression des techniques Les grands moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle 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 l’atmosphère terrestre  infrarouge, UV, rayons X,  * Sondes d’exploration du Système Solaire Informatique  Manipulations d’énormes masses de données, analyse raffinée du signal

2. Les révolutions de la physique du début du XXe Siècle Les grands moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle 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 l’évolution des étoiles (1940-1950) Sous-jacente à toute l’astrophysique moderne : compréhension des astres, de leur histoire

2. Les révolutions de la physique du début du XXe Siècle Les grands moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle 2. Les révolutions de la physique du début du XXe Siècle 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 l’espace et de la gravitation Applications cruciales à la cosmologie et aux trous noirs

1. Physique et évolution des étoiles (1940-1950) Cinq Percées majeures : 1. Physique et évolution des étoiles (1940-1950)  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 d’ensemble,  Compréhension détaillée de l’évolution et de l’âge des étoiles

Schéma d’une étoile très massive près d’exploser en supernova Massive Star Structure

Diagramme HR (Luminosité/Température de surface) Puissance Lumineuse 1 000 000 000 1 000 000 1 000 1 Supergéantes Géantes état norrmal Soleil Naines blanches Diagramme HR (Luminosité/Température de surface)

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

Vie d’une étoile de la masse du Soleil

Hélice Œil-de-Chat Nébuleuses « planétaires » Lion Givré V838…

Vue récente de la coquille autour de la supernova de 1987

Nébuleuse du Crabe Bulle filamenteuse en expansion autour d’un pulsar (étoile à neutrons) Créée par une supernova observée en 1064

de leur milieu interstellaire et de leur monde 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 l’univers des astronomes était limité à ce qu’on sait maintenant être notre galaxie, la Voie Lactée Briques élémentaires de l’Univers La Voie Lactée Systèmes en évolution, différentes classes

Notre Galaxie, la Voie Lactée Prototype des galaxies spirales Carte de visite : 100-200 milliards d’étoiles liées par les forces d’attraction gravitationnelle pratiquement ponctuelles ~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 Rotation d’ensemble (~100 km/s  période quelques 100 millions d’années) Disque très très plat, surtout le gaz Bras spiraux lumineux (jeunes étoiles)

Galaxies spirales M51 Andromède

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

Galaxies, mondes en évolution Jeu complexe d’interaction entre les étoiles et le milieu interstellaire Formation d’étoiles à partir du gaz tant qu’il y en a : ~1 Msoleil par an dans la Voie Lactée 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 Formation initiale d’une boule de gaz sphérique par effondrement gravitationnel Ensuite formation d’étoiles, avec grandes flambées initiales (pour les galaxies spirales, la grande rotation aplatit d’abord le gaz en disque) Mais aussi collisions/fusions de galaxies (fréquentes dans l’Univers jeune) Fortes perturbations ; nouvelles flambées de formation stellaire (fusion Voie Lactée-Andromède dans quelques milliards d’années)

vue en infrarouge (satellite ISO) Nébuleuse de l’Aigle vue en infrarouge (satellite ISO) Pépinière de jeunes étoiles déchirant et illuminant leur nuage placentaire de gaz et de poussière

Schéma de classification des galaxies

Galaxie elliptique Sombrero Centaurus A Les Antennes

3. Emergence d’un modèle global (cosmologique) de l’Univers Cinq Percées majeures : 3. Emergence d’un modèle global (cosmologique) de l’Univers 3.1 L’Univers au grand large, uniformité On sait actuellement que l’Univers 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  l’Univers est uniforme, il n’a ni centre ni bords et est probablement infini Grande simplicité : l’état global de l’Univers et son histoire, objets de la Cosmologie, dépendent seulement de quelques paramètres, aujourd’hui assez bien connus

3. Emergence d’un modèle global (cosmologique) de l’Univers Cinq Percées majeures : 3. Emergence d’un modèle global (cosmologique) de l’Univers 3.2 Expansion de l’Univers  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 d’hydrogène et d’hélium  étoiles et galaxies (disposées plus ou moins en groupes, amas et grandes structures)

Schéma du modèle cosmologique « standard » actuel Très précis ; résulte d’un nombre assez grand de recoupements de données d’origine variée, obtenues au prix d’immenses efforts dans les dernières années Large accord : Âge de l’Univers ~13.7 milliards d’années L’Univers 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 l’énergie noire reste inconnue Nécessité d’une phase initiale d’ « inflation »  où les dimensions de l’Univers se sont accrues vertigineusement Il existe un couplage intime entre la physique des particules et la cosmologie du Big Bang, notamment dans la phase d’inflation, avec de possibles interrogations sur des extra-dimensions de l’espace, sa topologie, etc.

Schéma d’Histoire de l’Univers Age de l’Univers en milliards d’années

Nous sommes capables depuis quelques années de détecter des galaxies très lointaines dans l’espace et le temps (plus de dix milliards d’années) et d’observer ainsi directement les principales phases de formation d’étoiles dans des galaxies analogues à la Voie Lactée, en particulier les violentes flambées initiales Hubble Ultra Deep Field

Modélisation de la structure filamentaire de la distribution des galaxies dans l’Univers à l’échelle de 300 millions d’années-lumière

4. L’Univers violent, aux frontières de la physique Cinq Percées majeures : 4. L’Univers violent, aux frontières de la physique Révélations de sources d’énergie infiniment plus puissantes que les étoiles : - Explosions de supernovae  hypernovae/sursauts  : des milliards de soleils - Quasars : jusqu’à un million de milliards de soleils !

« Restes » de supernovae témoins de la violence de l’explosion Crabe 1064 Tycho 16e Siècle

Modèle de binaire X Le gaz de la grosse étoile est aspiré et tombe très violemment sur l’objet compact

4. L’Univers violent, aux frontières de la physique Cinq Percées majeures : 4. L’Univers violent, aux frontières de la physique Révélations de sources d’énergie infiniment plus puissantes que les étoiles : - Explosions de supernovae  hypernovae/sursauts  : des milliards de soleils - Quasars : jusqu’à 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 cm3 !) - Trous noirs Emetteurs de rayonnement énergétique : - rayons X et gamma, neutrinos, rayons cosmiques - couramment détectables sur satellites ou à partir du sol

Trous Noirs Energie des forces gravitationnelles proche de mc2  ultra-relativiste Singularité/divergence de l’espace, fortement courbé Forces gravitationnelles si intenses que « rien ne peut s’échapper », pas même la lumière Enorme énergie communiquée à la matière qui est accrétée (« tombe ») sur le trou noir ; une partie est rayonnée avant l’engloutissement  quasar Dans certains cas, d’énormes jets de matière relativiste peuvent être éjectés  radiosources, quasars, mini-quasars

Modèle de jets : binaire X / mini-quasar

Trous Noirs Energie des forces gravitationnelles proche de mc2  ultra-relativiste Singularité/divergence de l’espace, fortement courbé Forces gravitationnelles si intenses que « rien ne peut s’échapper », pas même la lumière Enorme énergie communiquée à la matière qui est accrétée (« tombe ») sur le trou noir ; une partie est rayonnée avant l’engloutissement  quasar Dans certains cas, d’énormes 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 d’étoiles

Modèle de désintégration et engloutissement d’une étoile par un Trou Noir massif

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

Exploration du Système Solaire et Exo-planètes Cinq Percées majeures : 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 XXIème Siècle

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)

Paysage Martien

Canyon géant sur Mars

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

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

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 l’évolution des planètes : atmosphère, intérieurs compréhension de leur formation et de l’histoire du Système Solaire Recherche de vie : Mars  Europa, etc. Comètes (et astéroïdes)  matière primitive interstellaire + Riche information de l’analyse chimique de météorites primitives  Acides aminés

Comète Hayakutate

Survol du noyau d’une comète

Gigantesque éruption-tempête solaire (satellite SOHO)

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 l’étoile autour du centre de gravité étoile+planète Plus de cent exo-planètes connues Intense activité  projets très pointus au sol et dans l’espace pour détecter des planètes de masse terrestre et caractériser leur atmosphère : Oxygène = vie  Un des grands objectifs qui dominera tout le XXIe Siècle

Première image directe d’une exo-planète (à coté de son étoile naine brune) (ESO-VLT avril 2005)

Exobiologie Question centrale de notre plongée dans l’Univers Spéculations incessantes depuis des siècles sur l’existence d’extra-terrestres  2 niveaux : Origine de la vie Question d’abord aux biologistes  astronomes : rien ou peu (Lune ?) de spécial dans les conditions astronomiques de la Terre et du Système Solaire à l’aube de la vie  milliers de milliards de systèmes équivalents dans l’Univers L’apparition 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 ? Apparition/devenir/survie des civilisations avancées ??? Colonisation assez rapide d’une galaxie semble possible. Aucune trace avérée Possibilité d’Univers parallèles permettant de trouver les conditions exceptionnelles favorables à la vie : principe anthropique ?????

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 d’étoiles de l’Univers Détection d’ondes 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

Voies tracées et questions pour le XXIe Siècle - 2. Dans le Siècle : L’Homme 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.

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 l’inflation et avant Possibilité/nécessité de dimensions supplémentaires de l’Univers et de topologie non triviale ? Plus : Vie/Intelligence extraterrestre (origine de la vie) - (Principe anthropique)

PopIII stars +1st galaxies Formation of 1st galaxies Pop. II stars 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 ~ 1.5 -4: - Peak of star formation submm sources + LBGs - Peak of QSO activity Proto-cluster formation z ~ 0.5-1.5 : Final phase of active star formation - ISOCAM sources - Weak X-ray AGN - Cluster formation z Dphot (Gpc) 1000 -------------------- 20 230 12 130 z= 6 60 z=2 16 ------------------- 0.5 3 ~ 300 million ~ 3.5 billion