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 »

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

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.

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 »

Les effets des GUTs : E > 1018 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

L’Inflation:

Expliquer Le Big Bang avec les GUT à E > 1018 GeV

Graves  Grands motifs Aiguës  Petits motifs

=> Mesurer les variations de G aux échelles < 1 mm Microgravité en apesenteur : satellites Hyper (Europe) et Microscope (France) => Mesurer les variations de G aux échelles < 1 mm Attraction en 1/r2 à grande distance, Loi différente à petite échelle « Corde de matière » Notre Univers

MgI, MgII, AlII, AlIII, SiII, CrII, FeII, NiII, ZnII Variation de la constante de structure fine, a 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 (1010 années lumière) MgI, MgII, AlII, AlIII, SiII, CrII, FeII, NiII, ZnII MgI, etc … Observateur Quasar

Résultat positif en 2001 ! Murphy et al. 2001, MNRAS 327, 1208 : Télescope US Keck de 10 mètre à Hawaï Da/a = (-7,2 +- 1,8 ) 10-6

Les télescope Keck à Hawaï (fondation Caltech)

Les télescope Keck à Hawaï (fondation Caltech)

Résultat positif en 2001 ! Murphy et al. 2001, MNRAS 327, 1208 : Télescope US Keck de 10 mètre à Hawaï Da/a = (-7,2 +- 1,8 ) 10-6 Résultat négatif en 2004 ! Quast et al 2004, A&A 415, L7 : Télescope Européen de 10 mètre au Chili Da/a = (0,1 +- 1,7 ) 10-6

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

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

Résultat démenti par les télescopes Européens de l’ESO !

L’astronomie des 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

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 10-20 mètres

LISA : le futur Observatoire spatial Européen à ondes de gravitation

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 !

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.

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

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

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