Planète Terre

Planète Terre
I Introduction
II L’Univers
III Les étoiles
IV Les planètes
Cosmologie
• Science de l’Univers dans son ensemble
• Étude des propriétés globales du cosmos:
composition, évolution, …
• L’observateur (sujet) fait partie de l’objet étudié
• → regard philosophique
Un peu d'histoire : Grèce antique
Quel est l’élément premier ?
l’eau pour Thalès,
un « apeiron » indéfini pour Anaximandre, …
Thalès (-600)
Univers infini des atomistes
(Leucippe, Démocrite)
Aristote (-300)
Univers clos des athéniens (Platon, Aristote)
L’espace et le temps sont coextensifs à la
matière : ni lieu ni temps hors de la sphère
des fixes
Modèle athénien dominant durant 20 siècles
Renaissance … médiévale
Transmission des ouvrages grecs par le sud et le nord de
la Méditerranée
Écoles (Chartres, Paris, Oxford, …) au XIIe, universités
(Montpellier) au XIIIe
Abandon du « nécessitarisme » grec
Beaucoup de traités de « physique »
Cosmologie évolutionniste à l’école de Chartres au XIIe
"Toute science requiert les mathématiques
(omnis scientia requirit mathematicam)
(Roger Bacon 1268 Opus majus, t. III, p. 98).
Thierry de Chartres
• « Le rayon de soleil qu’on voit à travers la fenêtre, n’est visible
que grâce aux atomes de poussière qui, dans ce rayon luimême, passent et brillent à la lumière du soleil. […] rien n’est
visible sinon grâce à un obstacle produit par l’eau ou par la
terre.
• Donc, tout corps qui, sur le firmament céleste, possède une
apparence visible, est nécessairement visible grâce à la
densité de la terre ou de l’eau. Mais les corps terrestres ne
peuvent s’élever jusqu’au firmament au moyen de la chaleur
ou de toute autre façon. Cela est par nature le propre de l’eau.
• C’est pourquoi toutes les choses qui, dans le firmament
céleste, ont une apparence visible reçoivent des eaux un
principe matériel. C’est le cas des nuages, des éclairs et des
comètes. Semblablement, les corps stellaires, en ce qui
concerne leur matière, sont nécessairement constitués
d’eau. »
• (Thierry de Chartres ( vers 1155), De sex dierum operibus)
Modèle d'Univers de Ptolémée
Peter Apian, Cosmographia, Antwerp, 1539
L’idée d’univers infini
Basculement du concept dominant : éclatement de la
sphère des fixes entre le XVIe et le XVIIe
•«Nous saurons aussi que ce monde, ou la matière
étendue qui compose l'Univers, n'a point de bornes pour ce
que, quelque part où nous en veillions feindre, nous
pouvons imaginer au-delà des espaces indéfiniment
étendus »
•1644 Descartes « Principia Philosophiae »
→ Mesure des distances d’étoiles à partir de 1836 (1ère
évidence que les étoiles ne sont pas toutes à la même
distance)
→ On ne sait toujours pas si l’univers est infini
La Terre se déplace
- 500 Pythagoriciens (terre pas au centre)
- 250 Aristarque de Samos (mesure du diamètre du soleil →
héliocentrisme )
1543 Copernic « De Revolutionibus … »
1633 Galilée assigné à résidence
1728 Bradley : aberration des étoiles (1ère évidence
observationnelle du déplacement de la Terre)
•
(changement apparent de direction des étoiles par composition de la vitesse
de leur lumière et de celle de la terre)
1741 Réhabilitation des œuvres de Galilée par Benoit XIV
1836 première parallaxe (2ème évidence)
Vitesse de la terre autour du soleil: 100 000 km/h
L’acosmologie classique
•
En 1687 la gravitation Newtonienne unifie mécanique céleste et de chute
des corps, une première loi « universelle » …. mais une suppression du
lien contenant-contenu
•
•
« L'espace absolu, de par sa nature, et sans relation à quoi que ce soit
d'extérieur, demeure toujours semblable et immobile » (Newton, 1687,
Philosophiae naturalis principia mathematica)
•
•
↓
↓
« La notion vague et indéfinie de l'Univers est si peu accessible à la saine
astronomie que nous devons finalement exclure ce terme du vrai langage
scientifique »
(Auguste Comte, 1844,
Traité philosophique d'astronomie populaire)
Mutation scientifique du XXe et
Renaissance de la Cosmologie
• 1900-1927 Quantique (Planck, Einstein, … Heisenberg)
• 1915-1917 Relativité générale: relation espace-temps-matièreénergie et modèle (statique) d’univers (Einstein)
• 1922-1924 modèle non-statique (Friedmann)
• 1927-1931 modèle CDM actuel (Lemaître)
• 1932-1998 modèle Einstein-de-Sitter (sans Λ) dominant
• 1998-2009 modèle CDM dominant
G. Lemaître
A. Einstein
Expansion et « Big Bang » 1927 - 1931
Relativité Générale 1916
Principes de la cosmologie moderne
La cosmologie moderne repose sur deux principes théoriques:
la relativité générale, qui relie
Espace,temps, énergie et matière
le principe cosmologique :
répartition homogène et isotrope de la
matière-énergie dans l’Univers
L'application de la relativité générale à un Univers
obéissant au principe cosmologique implique une
géométrie non-statique de l'espace-temps:
un facteur d'échelle R(t) affecte les distances entre les
points fixes
t est le temps cosmique, le même pour tous les observateurs qui ne se
déplacent pas. Ce facteur d’échelle, cette fonction R(t), est solution des
équations de FriedmannFriedmann-Lemaî
Lemaître (1922-1927)
EQUATIONS DE FRIEDMANN-LEMAITRE
Facteur d’échelle de l'Univers
• Ce sont des équations différentielles sur le facteur
d’échelle R(t).
Expansion de l'Univers
milliards d'années
p et ρ sont la pression et la masse volumique de l’univers
homogène. k=-1, 0 ou +1 pour les trois possibilités de la
courbure de l’espace (négative, nulle ou positive).
Λ est la « constante cosmologique » des équations d’Einstein
Validations observationnelles de la théorie du
Big Bang
L'expansion de l'Univers
Le décalage spectral cosmologique
Le décalage spectral cosmologique ou « redshift » n'est pas dû
à la vitesse des objets les uns par rapport aux autres, mais à la
variation du facteur d’échelle R(t).
Un signal émis à l’instant te est reçu à l’instant to
Un second signal émis à te + dte sera reçu à t0 + dt0, mais aura
plus de distance à parcourir si R(t) croit.
On montre que
dto / dte = R(to) / R(te)
Appliqué aux périodes de la
lumière
To/Te = 1 + z = R(to) / R(te)
A faible distance c z ≈ Ho d
cz
Expansion
de l’espace
c z ≈ Ho d
PNAS January 6, 2004 vol. 101 no. 1 8-13
d
Paramètres actuels du cosmos
(de l’univers homogène)
•
•
•
•
•
•
Âge
≈ 13,8 109 ans
Matière
≈ 2,5 10-27 kg m-3
Lumière
≈ 4,6 10-31 kg m-3
Cte cosm.
≈ 1,35 10-52 m-2
Taux d’expansion ≈ 2,3 10-18 s-1 (71 km s Mpc
Expansion accélérée depuis 5 ou 6 109 ans
-1
-1)
HISTOIRE
DE
L’EXPANSION DE L’ESPACE
La période de « vie » du soleil est indiquée
de l’espace
Courbe calculée à partir des mesures de
densité cosmiques…
Modèle ΛCDM (WMAP 2008)
Ωmo (= 8pGρ
ρ /3H2) =0,26
ΩΛο (=Λ
Λ c2/3H2) = 0,74
Ho = 71 km s-1 Mpc-1
to = 13,8 109 ans
Notre horizon est là
Quasars observés
On est ici
Coupe à l’échelle de l’Univers observable
L’univers réel est supposé sans limite mais l’univers observable est limité par
l’horizon du Big Bang à z=∞ (la lumière ne se déplace qu’à une a-l/an et les
plus vieux photons ont moins de 14 milliards d’années)
Validations observationnelles de la théorie du
Big Bang
L'expansion de l'Univers
Le rayonnement de fond cosmologique microonde
La température
• On montre que si à un instant t l’univers est rempli d’un
rayonnement de corps noir à la température T, le
rayonnement garde son caractère thermique et le produit
R(t) .T(t) reste constant avec l’expansion
• Près du Big Bang à plus de 3000 K l’univers a
nécessairement été ionisé, opaque et donc un corps
noir.
• L’observation de ce rayonnement thermique est donc
une forte validation de ce que l’univers a connu une
phase à plus de 3000 K
(t < 400 000 ans)
Durant les premiers 380 000 ans l’univers a plus de 3000 K était
ionisé, opaque : un vrai corps noir. En devenant neutre et transparant
il a libéré ce rayonnement thermique que nous recevons très décalé
(z ≈ 1100)
1965
1990
Les barres d’incertitudes du spectre mesuré par COBE sont plus
étroites que l’épaisseur du trait sur cette diapo de la courbe de
Planck (corps noir théorique) à 2,725 K !
Image de tout le ciel dans le domaine microonde (λ ~1 mm)
Le rayonnement thermique du cosmos primordial (z ~1100)
Image de tout le ciel microonde , contraste multiplié par 1000
Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP, 2003)
En rouge les émissions du disque de la Voie Lactée. L’anisotropie bipolaire (ici multipliée par 1000) du fond
cosmologique met en évidence le déplacement du soleil par rapport à l’univers (370 km/s)
Image de tout le ciel microonde corrigée du mouvement du
soleil et contraste × 100 000
Les embryons des structures de l’univers présent
Les premiers temps
• RT = cte ⇒T →∞ quand R→0
• Près du Big Bang R ∝ t½
• T t½ = cte → T (100 s) = 108 K
• E t½ = cte = 1 MeV s ½
• On peut donc calculer les réactions qui se sont passées
avec de la physique connue (expérimentable dans les
accélérateurs … sauf pour le premier milliardième de
seconde)
Validations observationnelles de la théorie du
Big Bang
L'expansion de l'Univers
Le rayonnement de fonds cosmologique
La nucléosynthèse primordiale des éléments légers
Abondance des éléments légers
Abondances de H et He à peu près constantes dans
l’Univers. : certainement produits dès l'origine de l'Univers
La nucléosynthèse primordiale
s’arrête à l’Hélium car la
température décroit et que la
densité est déjà très faible.
Ce n’est que beaucoup plus tard au
cœur des astres que température,
densité et durées permettront une
nouvelle nucléosynthèse (de
l’Hélium et cette fois des autres
éléments)
Les proportions observées des éléments légers dans l’univers sont très semblables à
celles que l’on calcule. Avec le rapport proton-neutrons c’est une validation d’une
phase à plus de 1010 K (t < 1s)
Abondances cosmiques (système solaire)
H
12
←durant les 3 premières minutes
Lodders et al 2009
He
He
10
O
Ne
Fe
Mg Si
8
en fin de vie des étoiles
N
S
ArCa Ni
Cr
Na
6
Ti
P
Zn
K
Co
4
F
V Cu Ge
Sr
Zr
Sc
Ga
Sn Ba
B
Mo
Rb
2
Nd Dy Yb
←spallation
Nb
La
Li Be
Rh
Ag Sb
Pr Eu
0
Tm
Log10 N
C
0
10
20
30
40
50
60
Atomic Number
70
Pt Pb
Au
80
Th
U
90
100
Où a-t-on mesuré ces abondances relatives?
- le Soleil et les météorites
- d’autres étoiles
- le gaz interstellaire
...
L’explication:
la nucléosynthèse primordiale
(H, He, 10%Li, et aussi un
soupçon de Be, B)
la nucléosynthèse stellaire, et
les générations successives
d’étoiles (C-Fe:fusion; audelà: captures de neutrons)
la spallation: collisions de
rayons cosmiques (protons)
avec des noyaux de CNO ->
LiBeB
Co
s
o
sm
e
p
tro
sif
n
a
xp
Ned Wright :
http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm
Cosmos trop bref
Observabilité du cosmos
• Un milliardième de seconde après le Big bang la densité (rapportée
au taux d’expansion) de l’univers doit être une valeur précise à 10-24
près pour que l’existence d’observateurs n’y soit pas à jamais
impossible (diagramme suivant)
• Au temps de Planck l’ajustement est à 10-60
• Bien d’autres considérations (dissymétrie matière-antimatière,
valeur des constantes, …)font descendre la probabilité qu’un
cosmos soit habitable à moins de 10-N (N>200)
• Des théories (actuellement spéculatives) comme l’inflation
chaotique et le « Multivers » envisagent comme réponse une infinité
d’univers (de cosmos) dans laquelle le nôtre serait un des
rarissimes à ne pas être nécessairement stérile
L'histoire de l'Univers selon le modèle du Big Bang
(CDM)
Chronologie cosmique
•
•
Ère de Planck (10-43 seconde) ???
Phase inflationnaire vers 10-35 s??
•
10-30 à 10-6 s Soupe de photons ↔ particules et antiparticules élémentaires
•
10-6 s, 1013 K quarks-antiquarks → photons (et quelques rares protons et neutrons)
•
1 s, 1010 K électrons-positrons → photons (et quelque rares électrons)
•
100 s, 109 K s nucléosynthèse primordiale → plasma de protons, particules α,
électrons (12 p+, pour 1 α++ et 14 e-, traces de Deutérium, Lithium, )
400 000 ans, 3000 K, plasma → gaz neutre H + He. Les surdensités locales ne
dépassent guère 10-5. Le rayonnement se découple
Premiers 108 ans : âge sombre de l’univers. le rayonnement fossile est dans l’infra
rouge et aucun astre n’est formé mais les inhomogénéités s’amplifient
Quelques 108 ans : les premiers astres brillent, la poussière apparaît
•
•
•
•
Puis les structures progressent : d’abord les petites puis les grosses à partir des
petites (rencontres fusionnelles des galaxies, amas, superamas de galaxies
•
•
•
•
Il y a environ 1010 ans la Voie Lactée prend sa forme
Il y a 4,567 109 ans le système solaire
Il y a 65 106 ans fin du règne des dinosaures sur la planète Terre
Il y a 2,6 103 ans Thalès : l’eau est l’élément premier de l’univers
Création et Commencement
• La cosmologie est une science. Elle modélise le
fonctionnement de l’univers, le « comment » pas le
« pourquoi » fondamental.
• « Autant que je puisse en juger, une telle théorie [Big Bang]
reste entièrement extérieure à toute question métaphysique
ou religieuse. » (Abbé G. Lemaître: 1958, «The primeval atom hypothesis
and the problem of the clusters of galaxies»)
• « Le but de l'Univers, au sens strict, est théologique ou il n'est
pas » (A. Comte-Sponville, 1990, Ciel et Espace, 249, 38).
• « La création n’est pas un changement ; c’est la dépendance
même de l’être créé par rapport à son Principe » (Thomas
d’Aquin, 1258, « Summa contra Gentes » I.II c ;18)
Validations observationnelles de la théorie du
Big Bang
L'expansion de l'Univers
Le rayonnement de fonds cosmologique
La nucléosynthèse primordiale des éléments légers
La structuration de l’Univers à grande échelle (nouveau)
SDSS 2008
L’univers est homogène
au-delà des superamas de
galaxies
109 a-l
109 a-l
Credit: M. Blanton and the Sloan
Digital Sky Survey.
L’état de l’univers après 13,7 milliards d’années d’évolution
Observé (2dFGRS 2003)
Calculé (Projet Horizon, CEA, 2007)
Formation des structures dans des simulations 3D CDM
Redshift z=18.3 (t = 0.21 109 ans)
125 Mpc/h
Redshift z=5.7 (t = 109 ans )
Redshift z=1.4 (t = 4.7 109 ans)
Redshift z=0 (t = 13.8 10 9 ans)
Simulation Millenium
Résumé ΛCDM explique bien:
Les décalages spectraux
Les abondances des éléments légers (et des
lourds avec les étoiles)
Le rayonnement fossile (horizon de l’opacité)
Le ciel noir (horizon cosmologique)
L’âge des plus vieux astres
La structuration de l’univers
Grandes questions scientifiques
ouvertes
•
•
•
•
•
•
•
Qu’est la masse cachée exotique ?
Qu’est la constante cosmologique ? Énergie sombre ?
Quel commencement physique ? Une seule théorie?
Quelle « anthropie » du cosmos ?
Y-a-t-il des (une infinité de) cosmos ? (Linde)
… d’autres dimensions, connexités, à l’espace ?
…………………………………
Contenu matériel (proportions de masse) du cosmos
j
Le problème de la masse cachée
Les « baryons » sont essentiellement les protons et les neutrons de la matière
commune. La matière « exotique » est de nature inconnue (pas faite avec des
protons, neutrons, …) mais ne se manifeste qu’à grande échelle: la masse du soleil
et des planètes est essentiellement celle de leurs protons et neutrons.
À l’échelle d’une galaxie et au-delà il semble que la matière exotique soit 5 fois
plus représentée que celle que nous connaissons. Pour l’instant (2009) on ne la
détecte qu’indirectement par ses effets gravitationnels (orbites, mirages, …)
sombre
Constante
cosmologique (ou
énergie sombre)
Longueurs et temps-lumière
• Diamètre (D) (Terre)
107 m
1,3
0,04 s
• D (Soleil)
109 m
1,4
5 s-l
• distance (d) (Terre – Soleil)
1011 m
1,5
8 mn
• d (Soleil- Neptune)
1013 m
•
1015 m
• d (Soleil – Sirius)
1017 m
0,8
8a
• Épaisseur (Voie Lactée)
1019 m
~2
2 000 a
• D (Voie lactée)
1021 m
~1
105 a
• D (Amas de galaxies)
1023 m
~1
10 Ma
• Univers homogène
1025 m
~0,3
300 Ma
• distance (Horizon)
1027 m
0,45
1,38 1010 a
0,3
4h
Temps
• UE
100 a
• Vie humaine
102 a
• Néolithique
104 a
• Humanité
106 a
108 a
• Dinosaures (fin)
0,65
• Âge Système solaire
0,4567 1010 a
1010 a
• Âge Voie Lactée
• Âge Univers
1,38
1010 a