L’Astronomie: Observer l’Univers

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

2 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

3 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

4 Ciel visible un soir d’été

5 La Voie Lactée = Notre Galaxie:

6 Ciel visible

7 Poussières noires dans la Voie Lactée :

8 La voie Lactée Infrarouge :

9 La Galaxie NCG 891

10 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)

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

12 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

13 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

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

15 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

16 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

17 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

18 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

19 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

20 « Visible » « Infrarouge »

21 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)

22 Poussières noires dans la Voie Lactée : absorbant
Visible

23 Poussières noires dans la Voie Lactée : émetteur
Infrarouge

24 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 eV = 1,6 e-19 Joule radio Maximum d’émission du corps noir Energie (eV) T (° K) infrarouge visible UV rayons X rayons gamma

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

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

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

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

29 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

30 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

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

32 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

33 Surface de dernière diffusion
Le projet PLANCK: Cartographier le rayonnement fossile avec une précision de 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)  z =

34 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 km de la terre pour bénéficier d’un environnement « propre ». 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

35 Herschel et Planck: Lancement en 2007 avec Ariane 5

36 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 = K CMB : T = 2,73 K Big bang Poussières ds les galaxies T = 30 à 100 K Surface de dernière diffusion D = pc pc pc

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

38 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

39 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

40 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

41 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)

42 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

43 Ciel Micro-onde attendu

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

45 Le rayonnement fossile du Big-Bang

46 Graves  Grands motifs Aiguës  Petits motifs

47 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

48 - 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

49 - 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

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