L’Astronomie: Observer l’Univers

Martin GIARD, CESR-CNRS

Les 4 piliers du Big Bang:

L’expansion de l’Univers

Le rayonnement fossile

Les abondances de H, He, D

La formation des galaxies et des amas de galaxies

L’expansion de l’Univers

Le rayonnement fossile

La formation des galaxies et des amas de galaxies

Les abondances de H, He, D

-270,4252° -270,4248°

océans continents

5° 25° -55° 35°

ciel

La représentation du ciel = Projection d’une sphère

vue de l’intérieur

La représentation de la Terre = Projection d’une sphère

vue de l’extérieur

Ciel visible un soir d’été

La Voie Lactée = Notre Galaxie:La Voie Lactée = Notre Galaxie:

Ciel visible

Poussières noires dans la Voie Lactée :Poussières noires dans la Voie Lactée :

La voie Lactée Infrarouge :La voie Lactée Infrarouge :

La Galaxie NCG 891

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)

Les méthodes de l’astronomie:

L’astronomie Photonique

Le Rayonnement Cosmique

Les Ondes de Gravitation

L’astronomie Photonique

Photon (i.e. onde électromagnétique)=> transporte la force entre les charges électriques (en général les électrons)

e-

V

Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur

e-Charges en mouvement dans le détecteur

Photon

I: Courant électrique

T: Chauffage par effet Joule

L’astronomie de Ondes de Gravitation

Graviton (i.e. onde de gravitation)=> transporte la force entre les masses (la matière !)

m

V

Masses en mouvement dans l’objet observé graviton

Mise en mouvement de masses tests

m1

m2

Mesure de leur distance par interférométrie laser

Les sciences de l’instrumentation photonique:

- Collecteur de photons : Optique

- Détecteur : Physique du solide

- Amplificateur : Electronique filtres & conversion numérique

- Traitements numériques : Mathématiques Appliquées

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

Le retour inverse:

e-

V

Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur

e-Charges en mouvement dans le détecteur

Photon

I: Courant électrique

T: Chauffage par effet Joule

Le retour inverse:

e-

V

Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur

e-Charges en mouvement dans le détecteur

Photon

I: Courant électrique

T: Chauffage

Emissions

Absorption

Le retour inverse:

e-

V

Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur

e-Charges en mouvement dans le détecteur

Photon

I: Courant électrique

T: Chauffage par effet Joule

Emission

Absorption

Conséquence du retour inverse : La loi de Kirchoff

Absorptivité = Emissivité

Qabs =

Absorption :

I (Wm-2sr-1)

Qabs= P(T)Température = T

Loi du corps noir

Qabs IQabs=

Emission :

« Visible » « Infrarouge »

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)

Poussières noires dans la Voie Lactée : Poussières noires dans la Voie Lactée : absorbantabsorbant

Visible

Poussières noires dans la Voie Lactée : Poussières noires dans la Voie Lactée : émetteurémetteur

Infrarouge

Les couleurs des photons:Les couleurs des photons:

(Hertz) = fréquence d’oscillation des charges électrique qui (Hertz) = fréquence d’oscillation des charges électrique qui émettent ou absorbentémettent ou absorbent

(Mètre) = Longueur d’onde = (Mètre) = Longueur d’onde = / c / c

E (Joule / ou eV) = Energie = h E (Joule / ou eV) = Energie = h / c 1 eV = 1,6 e-19 Joule / c 1 eV = 1,6 e-19 Joule

radio

Maximum d’émission du corps noir

Energie (eV)

T (° K)

infrarouge

visible

UVrayons X

rayons gamma

radio

Energie (eV)

infrarouge

visible

UVrayons X

rayons gamma

Le ciel Radio:

= 21 cm:

Émission de l’hydrogène atomique

= 2,6 mm:

Émission du monoxyde de carbonne

Le ciel Infrarouge

= 0.24 mm

Émission des poussières

= 3,3 µm:

Émission des molécules organiques

Le ciel infrarouge

= 3,5 µm

Émission des étoiles

Le ciel visible

= 0,5 µm:

Émission des étoiles absorbée par les poussières

Le ciel X

= 750 eV

Émission du gaz très chaud (reste d’une Supernova)

= 30 keV

Émission des objets compacts binaires: étoiles à neutron et trous noirs

Le ciel gamma

= 511 keV

Anihilation des électrons / positrons

> 100 MeV

Collisions entres les rayons cosmiques galactiques et le gaz interstellaire

= 0,24 mm

poussières

Le ciel Infrarouge

= 0.24 mm

Émission des poussières

= 3,3 µm:

Émission des molécules organiques

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

Photons cosmologiques :

T = 2,73 K

Univers neutre

Univers ionisé

Surface de dernière diffusionLa Galaxie

Big bang

Structuration de l’Univers

Distance (années lumière) 100 1000 000 000 15 000 000 000

z = 0 1 10 1000

Le projet PLANCK:

Cartographier le rayonnement fossile avec une précision de 0.000 001 K

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 1 500 000 km de la terre pour bénéficier d’un environnement « propre ».

650 000 000 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

Herschel et Planck: Lancement en 2007 avec

Ariane 5

CMB :T = 2,73 K

Univers ionisé

Univers neutre

D = 102 pc 109 pc 5 109 pc

Surface de dernière diffusion

Big bang

Planck Surveyor: « une Affaire de Températures »

Poussières ds les galaxiesT = 30 à 100 K

Effet S.Z. par les électrons chauds :

T = 100 000 000 K

La Galaxie

Poussières ds notre GalaxieT = 10 à 30 K

Télescope: 60 K détecteurs : 0,1 K

- 230 °C

- 190 °C 15 °C

40 °C

Lumière du Soleil

Le satellite PLANCK

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

Découpage des tâches

dans la construction de la chaîne

des récepteurs bolométriques:

RAL, GB

JPL, USA

IAS-Orsay, Fr

CESR-Tlse, Fr

LAL-Orsay, Fr

Air Liquide, Fr

Univ. Rome, It

QMW, GB

Cal Tech, USA

L’instrument HFIPlan

Focal 0.1 K

Module de Service 300K

18 K

50 K80 K

140 K

Photon / radiation

absorbant thermomètre

Thermomètres

Fonctionnement du bolomètre en équations

Résistance 10 M

à mesurer à 10-6 près

(µK / K)

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

Ciel Micro-onde attendu

-270,4252° -270,4248°

Ciel Micro-onde sans le dipole cosmologique

Le rayonnement fossile du Big-Bang

Graves

Grands motifs

Aiguës

Petits motifs

Methode Scientifique: Mesure et Théorie : Methode Scientifique: Mesure et Théorie : un peu de philosophie scientifique…un peu de philosophie scientifique…

- Qu’est ce que la méthode scientifique ?

- Qu’est ce qu‘une bonne théorie ?

Principe: Les mêmes causes produisent les mêmes effets

=> On peut faire des expériences reproductibles

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

2D

MGMF

- 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:

http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm

http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/cos_home.html

Ned Wright :

Cambridge University (UK) :

http://background.uchicago.edu/~whu/beginners/introduction.html

Waine Hu :

http://www.hep.upenn.edu/~max/index.html

Max Tegmark :