A partir de 10^6 années

ROCHES ET GEOCHIME
I : L’univers
1- Le problème de distance
Des unités appropriées à des distances impressionnantes :
Unité astronomique : 1 u.a = distance Terre-Soleil = 150.10^6 Km
Année lumière : 1 a.l = 9461.10^9 de Km
Parsec : 1 parsec = 3.2616 a.l
2- Le problème du temps
Les distances au sein de l’univers créent les décalages temporels.
La lumière et les images qu’elle porte circule qu’à 300.000 Km/s
F AMEUX PARADOXE :
« Regarder loin c’est regarder tôt »
La voûte céleste que l’on observe la nuit est une image d’un passé
multiple dont
les limites estimées sont de plus de 15.10^9 années.
Exemple : L’image du soleil met 8 minutes à nous parvenir.
3- Quelques chiffres
UN seul Univers
~20.10^18 étoiles => Soleil
~100.10^9 galaxies => Voie lactée
Amas galactiques => Amas local (~20 galaxies)
Super-amas (plusieurs milliers de galaxies)
Température moyenne de –270 °C
C ARACTERISTIQUE DE LA VOIE LACTEE :
Diamètre de la galaxie : 90000 a.l
200 milliards d’étoiles
Masse de la galaxie : 10^18 de masse solaire
Longueur de la barre centrale : 25000 a.l
Distance du soleil au centre : 26000 a/l
Epaisseur de la galaxie au niveau du soleil : 2000 a.l
Vitesse du soleil : 220 Km/s
Période de rotation du soleil : 225 millions d’années
4- Un univers en expansion ?
Loi de Hubble (1929) :
Les galaxies s’éloignent les unes des autres et ceci d’autant plus
rapidement
qu’elles sont éloignées.
Effet Doppler-Fizeau :
Observation d’un décalage spectral vers le rouge des longueurs d’onde
de la
lumière la plus élevée.
Question :
Expansion en continue d’Univers spatialement infini et ouvert ?
Expansion suivie de contraction et Univers spatialement fini et fermé
(BIG RUNCH) ?
Modèles cosmologiques théoriques d’un univers homogène, isotrope,
mais non stationnaire.
5- Un Univers âgé
3 approches pour dater :
Mouvements des galaxies (loi de Hubble) = 15 – 20 milliards d’années
Formation stellaire (brillance des étoiles) = 14 – 16 milliards d’années
Radio-éléments = 15 milliards d’années.
I I : La théorie du BIG BANG
1- principes
Expliquer un univers actuel homogène, isotrope et en expansion.
Nécessité de l’existence d’un point espace temps où les galaxies, en
expansion,
ne faisaient qu’un dans un passé lointain.
2 POSTULATS
Un univers « jeune » chaud et dense
Un univers « actuel » froid et dilaté
2- Définition
UNIVERS ORIGINEL = Corps noir, opaque, isolé
thermodynamiquement.
BIG BANG = - Evènement initial brutal générant un milieu très dense et
très
chaud, suivi d’une diminution de température et d’une
augmentation de volume.
- Création de matière évoluant dans l’espace et le temps.
3- Preuves
L’expansion des galaxies et leur éloignement respectif
Existence de bruit de fond cosmique de l’événement brutal initial =
le rayonnement fossile => longueur d’onde très courte à 7.35 cm
4- Chronologie du BIG BANG
10^-43 seconde Rayon de l’univers < 50^50 cm et T = 10^32
°C
10^-35 seconde
Rayon de l’univers = quelque cm.
Début de l’inflation
Super expansion
10^-6 seconde L’univers à la taille de notre système solaire
1 seconde
Arrêt de l’inflation.
T = 10^9 °C
Début de la nucléosynthèse
10^6 années L’univers est transparent
La matière libère des radiations
10^9 années Formation des protogalaxies
3.10^9 années Détection des quasars et des radiogalaxies
8.10^9 années Les galaxies et la voie lactée sont formées
13.10^9 années Formation du système solaire
5- Nucléosynthèse et évolution dans l’univers
La nucléosynthèse correspond à la synthèse des éléments chimiques
(de leurs
noyaux) au cours de l’évolution de l’Univers à partir du BIG BANG.
L ’évolution de l’Univers c’est déroulé en 4 étapes :
Phase cosmique
Phase stellaire
Phase interstellaire
Phase planétaire
L A PHASE COSMIQUE :
- D e 0 à 1 seconde
Protons (+1) et neutrons (0) sont issus de la combinaison des quarks.
Présence de 5 familles de particules indépendantes très agitées :
Protons
Neutrons
Electrons
Photons
Neutrinos
Pas de noyaux formés, les photons les détruisent.
- A partir d’une seconde jusqu’à 10^6 années
Formation abondante de noyaux d’Hélium et d’Hydrogène.
1 proton => 1 noyau d’H
1 noyau d’H + 1 neutron => 1 noyau de Deutérium
1 noyau de D + 1 noyau de D => 1 noyau d’He
Période de création nucléaire appelée nucléosynthèse primordiale à
base de fusion nucléaire.
- A partir de 10^6 années
Par capture électronique, formation abondante des atomes d’hydrogènes
et d’héliums.
Augmentation du nombre d’hydrogène et d’hélium, diminution
d’électrons.
Création d’un « fluide homogène » de matière.
Sans entrave, la lumière peut circuler dan l’univers.
L’univers devient transparent.
Domaine des forces électromagnétiques
PHASE STELLAIRE
- L e rôle des forces de gravités
Agrégations gravitationnelles et condensations de matières pour donner
naissance aux protogalaxies.
ETOILES
=
Zones où se condense la matière originelle par gravité et où la
température est
très élevée.
=
Réacteur à fusion nucléaire où est transformée la matière.
- Les étoiles
Les étoiles sont classées en fonction de leur température de surface et
leur
luminosité.
Une étoile née, croît et meurt.
Au cours de leur existence, les étoiles vont évoluer dans ces domaines
de
température et de luminosité.
Au coeur des étoiles où T = 15.10^6 °C , la nucléosynthèse peut
reprendre.
Les étoiles de la branche principale fonctionnent en transformant les
noyaux d’hydrogène en noyaux d’hélium.
Les étoiles où l’hydrogène devient rare se contractent.
=> Géantes et Supergéantes rouges où l’hélium est transformé en
carbone
et en oxygène dans les enveloppes profondes.
Les étoiles où l’hélium devient rare se contractent.
=> Le carbone et l’oxygène deviennent alors des combustibles stellaires
qui sont transformés en de nouveaux éléments.
Puis la fusion du néon, de l’oxygène et du Silicium permet la
formation
des éléments métalliques et d’éléments plus lourds.
- Les étoiles : deux fins possibles
E nième contraction stellaire rapide avec très forte augmentation de
température au coeur des étoiles.
Explosion d’étoile mature et libération des éléments lourds formés dans
le
vide interstellaire.
E volution plus calme.
Libération non brutale des produits de la nucléosynthèse des couches
stellaires externes.
LA PHASE INTERSTELLAIRE
Les poussières interstellaires
Elles remplissent l’espace interstellaire et correspondent aux restes de
supernova
et de nébuleuses planétaires portées à quelques °C.
Nées de la formation d’atomes légers ou lourds puis de molécules par
capture électronique.
Rôle indispensable de l’hydrogène dans la formation de nombreuses
molécules.
LA PHASE PLANETAIRE
Les planètes
Milieu dense et protecteur, à température modérée.
Structures liées gravitationnellement à une étoile et qui apporte, par son
rayonnement, une partie de l’énergie nécessaire à une température
correcte ;
Conditions nécessaires à l’évolution moléculaires.
I II : Système solaire et la Terre
1- L a structure du système solaire
Une étoile de la branche principale => Soleil.
4 planètes Telluriques à enveloppe solides.
4 planètes gazeuses à enveloppe gazeuses
Astéroïdes entre Jupiter et Mars (loi de Bode)
2- Origine du système solaire
Soleil et planète cogénétiques nés à partir d’un même nuage de matière
interstellaire, il y a environ 4.6Ga.
ACCRETION PROGRESSIVE
(1) Nébuleuse protosolaire
(2) Planétésimaux
Condensation des gaz et des poussières en corps volumineux.
(3) Formation des planètes.
Il y a un rapport d’abondance de différents atomes et isotopes dans la
matière
interstellaire, le soleil et les planètes.
3- L es produits de condensation
Ils se forment en fonction de la température régnant dans la nébuleuse
protosolaire (voir dossier)
4- L es météorites du système solaire
(1) Les Chondrites (80-85%)
Riches en chondres.
Présence d’une matrice cristallisée en Fe, Ni et S.
(2) Les achondrites
- Achondrites basaltiques
- Achondrites pauvres en Ca de Fe
- Achondrites à alliage Fe-Ni ‘sidérites)
Les chondrites = météorites indifférenciées
« Péridotites ferreuses riches en Fe et Ca »
Composition chimique de la couronne solaire et de la matière
interstellaire
Age de la condensation de la nébuleuse protosolaire
Les achondrites = météorites différenciées
Composition chimique différente de la couronne solaire et de la
matière
interstellaire.
5- L a naissance de la terre
F ORMATION DE LA TERRE : durée de 200 Ma
4.6 Ga : Condensation de la nébuleuse protosolaire
4.6 – 4.4 Ga : Création de nombreux planétésimaux (météorites et
planétoïdes),
accrétion et différentiation de la Terre bombardée par les
météorites.
4.5 – 4.4 Ga : Différenciation de la Lune
2 modèles d’accrétions pour expliquer la formation de la Terre
ACCRETION HETEROGENE :
Accrétions successives d’enveloppes de matière interstellaire de
composés chimiques variés.
Différenciation synchrone à l’accrétion.
Planète froide
ACCRETION HOMOGENE
Accrétion successive de matière interstellaire de même composition
chimique.
Différenciation tardive des enveloppes terrestres internes.
Dégazage pour former l’atmosphère terrestre primitive.
Planète chaude