CHAPITRE IV : LA COSMOLOGIE Notion d’Astronomie et d’Astrophysique Année universitaire 2015/

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1 CHAPITRE IV : LA COSMOLOGIE Notion d’Astronomie et d’Astrophysique Année universitaire 2015/2016 1

2 Points essentiels –INTRODUCTION –LA COSMOLOGIE –LES GRANDES STRUCTURES DE L’UNIVERS –QUELQUES ORDRES DE GRANDEUR –LES GALAXIES (GRANDES STRUCTURES DE L’UNIVERS) –LES DIFFERENTS TYPES DE GALAXIES –LES GALAXIES A NOYAU ACTIF –LES AMAS DE GALAXIES 2

3 3 Depuis la nuit des temps l’être humain meurt d’envie pour découvrir les secrets de l’univers, mais malheureusement, malgré les moyens ultramodernes qu’il a utilisé dans les domaines de l’astronomie et l’astrophysique, et malgré les pas géants qu’a fait la science dans ce domaine, l’homme s’est rendu compte qu’il n’a découvert que très peu et que l’univers reste plein de mystères. Aujourd’hui les chercheurs et les scientifiques fournissent des efforts énormes pour en savoir d’avantage sur cet univers qui ne veut révéler ses secrets, et à chaque fois qu’ils font de nouvelles découvertes, surgissent d’autres mystères. Grace à la science, on a découvert les galaxies, les amas de galaxies, les superamas de galaxies… etc. Mais au-delà de tout cela est-ce qu’il y’a du vide ? Est-ce qu’il y’a de la matière ? Ou est-ce qu’il existe d’autres corps célestes plus géants qu’on n’a pas pu découvrir ou détecter ? Et l’univers, est-il fermé ou ouvert ? Fini ou infini ? Malheureusement, la science n’a toujours pas pu répondre à ses questions et bien d’autres. INTRODUCTION

4 4 LA COSMOLOGIE La cosmologie est la science globale de l'Univers, de sa structure, de ses lois... La cosmologie étudie naissance et expansion de l'Univers : Big-Bang, particules, étoiles, galaxies, planètes, etc. pour tenter d'en comprendre les mécanismes. Comme on ne peut observer que le présent et le passé de l'Univers, la cosmologie étudie principalement son histoire : la science du cosmos relate des observations en remontant le temps aussi loin qu'il est possible, et essaie de les expliquer. Et comme à l'échelle cosmique, la lumière met du temps à "cheminer" jusqu'à nous, l'image qui nous parvient illustre un phénomène datant peut-être de milliards d'années. A partir du passé de l’univers, on essaie d’envisager son avenir.

5 5 LES GRANDES STRUCTURES DE L’UNIVERS En astrophysique et en cosmologie, le terme de structures à grandes échelles de l'Univers se réfère aux caractéristiques de la distribution de matière et de lumière dans l'univers observable sur de très grandes échelles ( de l'ordre du milliard d'années-lumière).

6 6 QUELQUES ORDRES DE GRANDEUR  10 millions le nombre de superamas situés dans l'univers observable  25 milliards le nombre d'amas de galaxies situés dans l'univers observable.  350 milliards le nombre de galaxies massives (supérieure à ou de l'ordre de celle de notre galaxie) situées dans l'univers observable.  30 000 milliards de milliards le nombre d'étoiles situées dans l'univers observable. La limite de l'univers observable est, estimée à 45 milliards d‘AL, c’est la distance de l'horizon cosmologique dans le cadre du modèle standard de la cosmologie. On estime à Le modèle standard de la cosmologie est le nom du modèle cosmologique qui décrit les grandes étapes de l'histoire de l'univers observable et son contenu actuel tels qu'ils sont révélés par les observations astronomiques. L’UNIVERS EN CHIFFRES

7 7 L’UNIVERS EN MASSE QUELQUES ORDRES DE GRANDEUR  La masse de la terre est d'environ  Le Soleil qui est une étoile typique, est environ 300000 fois plus massif, soit  La masse de notre galaxie est donc d'un peu plus de mille milliards de masses solaires soit  La masse estimée des superamas est d'environ quelque masses solaires Les superamas sont des objets extrêmement peu denses : quelques dizaines d'atomes par mètre cube seulement.  La masse de l'univers observable est estimée à  masses solaires.

8 8 QUELQUES ORDRES DE GRANDEUR AGE DE L’UNIVERS  L'âge du Soleil ainsi que celui de la terre est d'environ 4,5 milliards d'années.  Les étoiles les plus vieilles de notre galaxie ont environ 10 milliards d'années. C'est aussi l'âge de notre galaxie.  L’âge de l’univers est estimé 13,819 milliards d'années. L’univers est issu d'une phase extrêmement dense et chaude, le Big Bang, qui s'est produit il y a environ 13,819 milliards d'années Les étoiles ne sont pas des objets éternels. Elles se forment, se mettent à briller, puis s'éteignent faute de combustible nucléaire en leur sein.

9 9 PRIORITÉ CHRONOLOGIQUE DANS LA FORMATION DE L’UNIVERS les scientifiques se demandent encore : est-ce que la matière a commencé par former les galaxies dans lesquelles se sont formées par la suite les étoiles et les planètes, ou est-ce les étoiles et les planètes sont apparues en premier lieu pour se grouper ensuite en galaxies ? On ignore toujours quelle a été la priorité chronologique dans la formation de l’univers? on ignore le temps qui a été nécessaire pour la formation de notre planète terre ?... Pour la formation de notre système solaire ?... Pour la formation de l’univers tout entier ? Malgré le manque de preuve scientifique, si on prend en considération l'âge prédit de l’univers et des structures qui le forment la science estime que L’univers s’est formé par ordre chronologique des structures les Plus grandes vers les plus petites. On estime donc que  l’univers s’est formé en premier ( c’est le plus vieux) 13,819 milliards d'années Ensuite les galaxies et les étoiles les plus veuilles 10 milliards d'années Et après les étoiles et les planètes 4,5 milliards d'années

10 10 PRIORITÉ CHRONOLOGIQUE DANS LA FORMATION DE L’UNIVERS d’après le Coran Verset 4 de la sourate (le fer) : « C’est lui qui a crée les cieux et la terre en six jours puis il c’est établi sur le trône … » سورة الحديد الآية 4 : هُوَ الذي خَلَقَ السّماواتِ و الأرْضَ في سِتّةِ أيّامٍ ثمّ اسْتَوَى على العَرْشِ.... Verset 47 de la sourateAl-Hajj ( pèlerinage ): « …. Cependant un jour auprès d’Allah (de ton seigneur) équivaut à mille ans de ce que vous comptez » سورة الحج الآية 47 :.... و إنّ يَوْمًا عند ربِّكَ كألفِ سنةٍ ممّا تعدّونَ Ceci nous amène à déduire que la formation de l’univers à nécessité 6000ans ; Par contre si on se penche vers les versets 9,10,11,12 de la sourate fussilat, on comprend tout de suite que notre planète terre n’est pas une planète ordinaire, mais c’est une planète miracle que Dieu tout puissant a doté d’une très grande importance.

11 11 سورفصلت الآيات 9 -- 10 – 11 – 12 : قلْ أئِنّكم لتكفرون بالذي خلقَ الأرضَ في يومين و تجعلونَ له أنْدادًا ذلك ربّ العالمينَ * و جعلَ فيها رواسيَ مِنْ فوقِها و بارَكَ فيها و قدّرَ فيها أقواتَها في أربعةِ أيامٍ سواءً للسائلينَ * ثم استوى إلى السّماءِ و هي دخانٌ فقال لها و للأرضِ ائتِيَا طوْعا أوْ كرْهًا قالتا أتيْنَا طائعينَ * فقضاهُنّ سبعَ سماواتٍ في يومين و أوْحَى في كلِّ سماءٍ أمْرَها و زيّنا السماءَ الدّنيا بمصابيحَ و حِفْظًا ذلك تقديرُ العزيزِ العليمِ. PRIORITÉ CHRONOLOGIQUE DANS LA FORMATION DE L’UNIVERS d’après le Coran Ces versets du Coran nous donnent une idée sur la durée et la priorité chronologique dans la de la formation de l’univers Nous comprenons à travers ses versets que c’est la terre qui a été crée (formée) en premier lieu et le temps qui a été nécessaire à cette formation est 2000 ans ( verset 9) ensuite il a fallu 4000 ans pour en faire de la terre une planète vivante et lui assigner ses ressources alimentaires (verset10) Lorsque la planète terre a été totalement formée et a acquis tout ce qui lui faut pour être une planète vivante, le reste de l’univers n’était que fumée et poussière (verset 11) et que ce n’est qu’après la formation de la terre que s’est formée le reste de l’univers, planètes, étoiles, galaxies …etc. et cela a nécessité 2000ans.

12 12 La terre est l’embryon de l’univers 2000 ans 4000 ans 2000ans Formation de la terre Durée pour en faire de la terre une planète vivante Formation de l’univers Formation de l’Univers et de la terre 6000 ans CONCLUSION PRIORITÉ CHRONOLOGIQUE DANS LA FORMATION DE L’UNIVERS d’après le Coran

13 13 LES GRANDES STRUCTURES DE L’UNIVERS LES GALAXIES Les galaxies sont d'immenses structures regroupant des dizaines voir même des centaines de milliards d'étoiles, du gaz et de la poussière interstellaire en interaction gravitationnel et en orbite autour d’un centre commun. Elles peuvent prendre plusieurs formes : elliptiques, spirales ou irrégulières.

14 14 LES GRANDES STRUCTURES DE L’UNIVERS LES GALAXIES En 1936 Edwin Hubble a classé les différents types de galaxies suivant leurs morphologies La séquence de Hubble

15 15 Dans le diagramme de Hubble, S signifie: galaxies spirales régulières SB signifie: galaxie spirales barrées. Ces deux types sont ensuite subdivisés en fonctions de l'apparence de leur structure en spirale comme suit : Sa (SBa) : des bras diffus et très resserrées, un noyau étendu et lumineux Sb (SBb) : les bras sont moins enroulés que ceux des Sa, et le bulbe est relativement plus faible Sc (SBc) : les bras sont étendus et lâches, permettant de contenir des amas stellaires et des nébuleuses en leur sein, le bulbe perd encore en importance par rapport à la catégorie précédente. LES GRANDES STRUCTURES DE L’UNIVERS LES GALAXIES

16 16 Les galaxies spirales doivent leur nom aux bras spiraux qui marquent très nettement leur structure.  Ces bras sont riches en gaz et poussières et sont le siège de la formation d'étoiles nouvelles  Le disque galactique comprend des étoiles plus âgées (l'âge du Soleil) ainsi que des nuages de gaz et poussières.  Le bulbe, qui est le renflement central, contient des étoiles d'âges variés.  le halo, de forme sphéroïdale, abrite des étoiles vieilles, des amas globulaires et de la matière non lumineuse, dont la nature est encore un sujet de controverse. LES GALAXIES SPIRALES

17 17 Une galaxie spirale barrée est une galaxie spirale dont les bras spiraux n’émergent pas du centre de la galaxie, mais d’une barre constituée d’étoiles traversant ce centre. On suspecte que la Voie lactée est une galaxie spirale barrée. Les deux tiers des galaxies spirales sont des galaxies spirales barrées. LES GALAXIES SPIRALES BARRÉES La galaxie spirale barrée NGC 1300 Image du télescope spatial Hubble,.

18 18 LES GALAXIES LENTICULAIRES Les galaxies lenticulaires sont entre les spirales et les elliptiques Comme les spirales, elles possèdent:  Un noyau volumineux  Un disque.  Elles sont démunies de bras spiraux  Un milieu interstellaire relativement pauvre. La galaxie lenticulaire NGC 5866 à 45 millions d’années-lumière

19 19 LES GALAXIES IRRÉGULIÈRES Les galaxies irrégulières ont  une forme mal définie  Il s'agit de galaxies qui n'ont pas fini de se former  Elles sont très riches en gaz et en poussières Le Grand Nuage de Magellan, une galaxie irrégulière située à 160.000 AL de nous

20 20 LES GALAXIES ELLIPTIQUES  leur forme est sphérique  de brillance à peu près uniforme.  Les étoiles en leur sein vont et viennent dans tous les sens de façon désordonnée. Galaxie elliptique : M87 Les galaxies elliptiques sont des galaxies géantes à noyau actif ( NAG)  Ces galaxies sont extrêmement lumineuses

21 21  Ces galaxies ont l’apparence de spirales normales, mais possédent en leur centre une région extrêmement brillante dont l’éclat domine celui de la galaxie tout entière.  Les images de ces galaxies montrent déjà que la luminosité centrale provient d’une région relativement petite.  L’analyse des variations de l’éclat prouve que le noyau est minuscule. LES GALAXIES A NOYAU ACTIF ( AGN) Les galaxies de Seyfert Galaxie de Seyfert de forme spirale barrée Galaxie de Seyfert de forme spirale Découvert en 1943 par Carl Seyfert

22 22 La radiogalaxie 3C296 La radiogalaxie M87 Les Radiogalaxies sont:  Toujours elliptiques  Souvent au centre d’un amas  Se caractérisent par un rayonnement énorme, dix mille fois supérieur à celui d’une galaxie normale.  Le rayonnement provient de deux régions gigantesques appelées les lobes radio et situées de part et d’autre du plan galactique.  Ces lobes sont en général dix fois plus grands que la galaxie elle- même LES GALAXIES A NOYAU ACTIF ( AGN) Les radiogalaxies

23 23 Object BL Lac H 0323+022 LES GALAXIES A NOYAU ACTIF ( AGN) Les blazars ou BL Lacerteae Les blazars apparaissent:  Ponctuels  Très brillants  Fortement variables.  Leur luminosité pouvant varier d’un facteur cent sur des temps très courts, de l’ordre de quelques semaines.

24 24 LES GALAXIES A NOYAU ACTIF ( AGN) Les quasars  Les quasars sont des AGN extraordinairement brillants, et faciles à observer depuis la Terre  Les quasars sont les objets les plus jeunes jamais observés.  Les quasars possèdent un trou noir super massif comportant la quasi-totalité de sa masse  Le trou noir est entouré par un disque d'accrétion formé par la matière qui tombe dans le trou noir Disque d’accrétion et trou noir dans un quasars Image d’un quasar

25 25 Le rayonnement puissant des galaxies à noyau actif, galaxies de Seyfert, radiogalaxies, blazars et quasars s’explique par la présence en leur centre d’un trou noir super massif et d’un disque d’accrétion. Mais comment explique-t-on les différents types de galaxies observés ? L’explication se justifie par l’angle de vue à partir duquel on voit la galaxie. LE MODÈLE UNIFIÉ DES GALAXIES ACTIVES Modèle unifié des AGN

26 26 LES AMAS DE GALAXIES Un amas de galaxies, ou amas galactique, est l'association de plus d'une centaine de galaxies liées entre elles par la gravitation. En dessous de 100, on parle de groupe de galaxies. Ces amas se caractérisent par:  Leur forme spécifique (sphérique, symétrique ou quelconque),  par la répartition et leurs nombres de galaxies (jusqu'à plusieurs milliers).  Ces amas peuvent eux-mêmes s'associer en groupes plus grands pour former des superamas. Amas de galaxies

27 27 Notre Galaxie appartient à un groupe de galaxies, comprenant une trentaine de galaxies, appelé Groupe local. Le groupe local est à son tour inclus dans le superamas de la Vierge. La plupart des galaxies, environ 90 %, appartiennent à un amas ou à un superamas. En plus des galaxies, un amas galactique contient du gaz très chaud entre K et très ténu (faible densité généralement comprise entre particules par cm³) LES AMAS DE GALAXIES

28 28 Quelques exemples d’amas: Le Groupe local : est le groupe d'environ 30 à 40 galaxies auquel appartient la Voie lactée. Son diamètre est d’environ 10 millions d'années-lumière. Le Groupe local semble être un représentant typique des groupes de galaxies qui se trouvent dans l’univers. Amas de la Vierge : situé à environ 60 millions d’années-lumière, il pourrait contenir plus de 1 500 galaxies dans un rayon de seulement 7 millions d’années- lumière. Amas d'Hercule (A2151) : Amas le plus riche du superamas d'Hercule. Situé à 365 millions d’années-lumière, il contiendrait une centaine de galaxies. Amas de la Chevelure de Bérénice (A1656) : Amas sphérique d'au moins dix millions d'années-lumière de diamètre et contenant des milliers de galaxies. LES AMAS DE GALAXIES

29 29 Exemples de superamas :  Le Superamas de la Vierge, d’un diamètre de 100 millions d’années-lumière contient le groupe local qui héberge la voie lactée qui contient le système solaire qui contient à son tour la terre.  Le superamas de l’Hydre-Centaure à 200 millions d’années-lumière.  Le superamas de Shapley, qui se trouve à 500 millions d’années-lumière. LES SUPERAMAS DE GALAXIES Les observations ont montré que la distribution des galaxies dans l’univers est loin d’être uniforme. Groupes et amas de galaxies ont tendance à se regrouper pour former ce que l’on appelle des superamas, des ensembles gigantesques atteignant une taille de centaines de millions d’années-lumière et contenant plusieurs dizaines de groupes et d’amas.

30 30 LES SUPERAMAS DE GALAXIES En septembre 2014 une équipe de recherche internationale, a cartographié les nouvelles frontières de notre superamas. Ils lui ont donné le nom hawaïen de Laniakea qui veut dire « horizons célestes immenses ». Ce superamas a un diamètre de 500 millions d'années-lumière, ce « continent extragalactique » contient une masse d'environ 100 millions de milliards de fois la masse du Soleil. Laniakea superamas qui héberge Notre galaxie et notre planète terre