Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules Le destin de l'univers Dominique Boutigny Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules CNRS / IN2P3

La perception de l'univers à travers les ages (1) La vision que les hommes ont de l'univers a considérablement évoluée au cours des ages Moyens d'observations: L'œil, la lunette, le télescope spatial Hubble… Les croyances La connaissance des lois de la physique Au Veme siècle avant JC en Grèce : Observation d'une éclipse de lune La terre est ronde L'univers à la forme d'une sphère creuse La Terre est au centre de l'univers Modèle d'univers d'Aristote (384 – 322 avant JC)

La perception de l'univers à travers les ages (2) Aristote: Les astres (Lune, Mercure, Soleil, Mars, Venus, Jupiter et Saturne) sont placées dans des coquilles sphériques imbriquées les unes dans les autres. Les mouvements sont uniformes Problème: Lorsqu'on observe les planètes (astres errants), les mouvements ne sont pas uniformes, on voit même certaines planètes qui semblent rebrousser chemin, puis revenir dans le "bon sens" La théorie ne rend pas compte des observations  Il faut inventer autre chose: On garde l'idée des astres qui se déplacent selon des cercles On ajoute la possibilité pour chaque planète de décrire un petit cercle supplémentaire (épicycles) Représentation de l'univers selon Ptolémée (2ème siècle après JC)

Mouvement rétrograde de Mars Crédit: & Copyright Tunc Tezel Uranus Mouvement rétrograde de Mars

La perception de l'univers à travers les ages (3) Plus les mesures du mouvement des planètes s'affinent, plus il devient difficile de faire fonctionner le système de Ptolémée. XVI ème siècle: Nicolas Copernic (1473 – 1543): Le Soleil est au centre de l'univers La Terre tourne autour du soleil La Lune tourne autour de la Terre La Terre tourne sur elle-même et est inclinée sur son axe Les astres sont toujours accrochés à des "coques sphériques Kepler (1571 – 1630) : Lois régissant le mouvement des planètes Galilée (1564 – 1642): Lunette astronomique – Principe de relativité: "Rien n'est immobile, tout dépend du référentiel dans lequel on se place" Newton (1642 – 1727): Théorie de l'attraction universelle

La démarche scientifique La mise au point de la théorie qui décrit le mouvement des planètes illustre les principes de la démarche scientifique: Observation Mise sur pied d'une théorie qui rend compte de l'observation Éventuellement: prédiction de la théorie Nouvelle observation Mise en échec de la théorie Ajustement de la théorie pour rendre compte de l'observation De temps en temps: bouleversement complet des conceptions de la physique Etc …. Les théories ont toujours un domaine de validité L'élargissement du domaine d'observation entraîne souvent une remise en cause de la théorie

La conception moderne de l'univers La Cosmologie

Spectre de la lumière Fer Hydrogène Lorsqu'on fait passer de la lumière blanche a travers un prisme, celui-ci la décompose en différentes couleurs ou longueurs d'ondes  Spectre Onde courtes: Bleu – violet – ultra-violet… Ondes longues: Rouge – infra-rouge… L'analyse du spectre permet de déterminer les caractéristiques de la source lumineuse La position des raies d'absorption ou d'émission permet de caractériser la composition de la source Fer Hydrogène

L'effet Doppler-Fizeau La voiture se rapproche, le son est aigu La voiture s'éloigne, le son est grave Observateur Toute onde (sonore, radio, lumineuse….) émise par une source en mouvement est décalée : Vers les petites longueurs d'ondes lorsqu'elle se rapproche de l'observateur – La lumière est décalée vers le bleu Vers les grandes longueurs d'ondes lorsqu'elle s'éloigne - La lumière est décalée vers le rouge Application: Le radar routier Le décalage dépend de la vitesse de la source / l'observateur

L'univers en expansion (1) En 1923 Edwin Hubble se rend compte que certaines "nébuleuses" sont situées bien au delà de notre galaxie et sont en fait d'autres galaxies En 1929 Edwin Hubble fait l'hypothèse suivante: "Plus une galaxie est éloignée, plus son diamètre apparent doit être petit" Crédit & Copyright: O. Lopez-Cruz (INAOEP) et al., AURA, NOAO, NSF Il mesure les spectres de la lumière en provenance de ces galaxies Hubble se rend compte que les spectres sont décalés vers le rouge et que plus la galaxie est éloignée plus le décalage est important Les galaxies s'éloignent de nous et plus les galaxies sont loin, plus elles s'éloignent vite – Le phénomène est le même dans toutes les directions !!! Loi de Hubble: V = H.R V: vitesse de récession R: Distance H: Constante de Hubble

L'univers en expansion (2) La découverte de Hubble montre que dans le passé les objets célestes étaient bien plus proches les uns des autres Si on remonte le temps on arrive à un instant où tout l'univers était concentré dans une petite région de l'espace  Théorie du Big-Bang Il ne faut pas se représenter l'expansion de l'univers comme une explosion: c'est l'espace lui même qui se dilate Il n'y a pas de centre pour cette expansion. Chaque galaxie voit ses voisines s'éloigner De même que des grains de raisins dans un cake en train de cuire s'éloignent les uns des autres !!! Une galaxie à située à 2,4 milliards d’années-lumière de nous s’éloigne à 51 000 km /s Crédit:: http://nrumiano.free.fr/Fcosmo/cg_bb.html

L'univers en expansion (3) Les supernova sont des étoiles en fin de vie qui explosent avec une violence extrême La luminosité des supernova est telle que l'on peut en repérer à des distances considérables Grande distance  On remonte loin dans le temps Si on connaît la distance de la supernova et son décalage vers le rouge, alors peut tester la loi de Hubble sur des astres qui ont émis leur lumière il y a plusieurs milliards d'années La vitesse d'expansion de l'univers s'accélère Confirmé en 2001 par le télescope spatial Hubble

Le rayonnement de fond cosmologique (1) En 1965 Penzias et Wilson utilisent une antenne géante et ne parviennent pas à éliminer un bruit parasite Ces parasites sont des micro-ondes qui proviennent de toutes les directions En fait, ce rayonnement provient de l'espace tout entier  Rayonnement fossile à ~3o K Pendant 300 000 ans, l'univers est totalement opaque. Puis, en se refroidissant, à un instant donné, la lumière (le rayonnement) peut se propager librement.  Découplage Le rayonnement fossile est une photographie instantanée de cet instant, c'est la plus vieille "lumière" de l'univers

Le rayonnement de fond cosmologique (2) Le rayonnement cosmologique a été mesuré avec une grande précision par le satellite WMAP Chaud Froid Tiède La température est presque constante (2.73 oK) avec de minuscules fluctuations

L'inflation L'homogénéité de la température pose un sérieux problème: Comment des régions de l'espace aussi éloignées et qui n'ont jamais été en contact, peuvent-elle avoir la même température?  Problème de la causalité L'hypothèse de l'inflation On pense, que l'univers est passé par une phase d'expansion très rapide lors de ces premiers instants (10-35s) Le rayon de l'univers croît d'un facteur 1050 en un temps très court

Univers fermé, ouvert ou plat ? 2 effets s'opposent: L'expansion qui tend à écarter les éléments de l'univers et les forces de gravitation qui tendent à les rapprocher. Tout depend de la densité de l'univers:  paramètre W Univers ouvert: Le taux d'expansion de l'univers l'emporte sur les forces de gravité. W < 1 – L'univers va se diluer à l'infini Univers plat: Le taux d'expansion de l'univers compense exactement les forces de gravité. W = 1 (2 atomes / m3) – L'univers s'étend à l'infini, mais son taux d'expansion tend vers zéro Univers fermé: Le taux d'expansion de l'univers est insuffisant pour équilibrer les forces de gravité. W > 1 – L'univers va se re-contracter  "Big Crunch" L'univers plat semble très improbable, pourtant c'est l'hypothèse actuellement privilégiée et l'inflation peut rendre compte de ce cas de figure

On ne voit pas tout !  Matière Noire ??? On peut estimer la masse de l'univers à partir de la matière visible Galaxie spirale Vitesse de rotation / Rayon La seule façon d'expliquer les vitesses de rotation dans les galaxies est de supposer qu'il y a (beaucoup) de matière loin du centre que l'on ne voit pas  Matière Noire ??? Il manque 90% de la matière !!! On ne sait pas de quoi est faite cette matière

Ce qu'on sait de l'univers en 2003 L'univers est en expansion L'expansion s'accélère Il y a de la matière noire La grande homogénéité de la température de l'univers conduit à l'hypothèse de l'inflation Il y a tout de même des petites fluctuations de température Mesures de WMAP Mesures des supernova lointaines L'univers est âgé de 13,7 milliards d'années Les premières étoiles se sont allumées 200 million d'années après le Big-Bang Il semble bien que l'univers soit plat ( W = 1 ) On n'a que très peu d'idées sur la nature de l'énergie noire !!!

Le futur… Le télescope spatial JDEM détectera ~ 2000 supernova lointaines par an et mesurera leur décalage vers le rouge Le satellite Planck mesurera la température de l'univers avec une très grande précision Lancement en 2007 par Ariane Tentatives de détection directe de la matière noire dans les laboratoires souterrain

Références Biographies des physiciens célèbres: http://www.infoscience.fr/histoire/biograph/biograph_som.html Spectre de la lumière: http://www.learner.org/teacherslab/science/light/color/spectra/ Refaire les mesures de Edwin Hubble: http://jersey.uoregon.edu/hubble/Hubble_plugin.html Site général sur la cosmologie: http://nrumiano.free.fr/ac_cg.html