LE RÔLE DES TROUS NOIRS DANS L
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L'ASTRONOMIE ET LES MYSTÈRES DU CIEL Comment les nouveaux moyens d'observation astronomique révèlent-ils les mystères du ciel? LE RÔLE DES TROUS NOIRS DANS L'ÉVOLUTION DE L'UNIVERS Dans quelle mesure les nouveaux moyens d'observation nous aident à decouvrir le rôle des trous noirs dans l‘évolution de l‘Univers? “Toutes les théories sont toujours provisoires, dans le sens qu’elles sont seulement des hypothèses: on ne pourra jamais les prouver.” STEPHEN HAWKING LE CONTENU I. II. III. IV. V. VI. VII. LES ONDES ÉLECTROMAGNETIQUES – PRÉSENTATION GÉNÉRALE LES MOYENS D’OBSERVATION 1. Le télescope Hubble 2. Le satellit Planck 3. L’observatoire Chandra 4. Le Fermi Gamma-Ray Space Telescope L’ÉVOLUTION DE L’UNIVERS 1. L'Univers à ses débuts: Le Big Bang 2. L'Univers de nos jours: l’expansion 3. La fin de l'Univers: les théories LES TROUS NOIRS 1. Généralités 2. Historique 3. Les quasars LE ROL DE TROUS NOIRS DANS L’ÉVOLUTION DE L’UNIVERS LA BIBLIOGRAPHIE L’ÉQUIPE PÉDAGOGIQUE LES ONDES ÉLECTROMAGNETIQUES LE SPECTRE ÉLECTROMAGNETIQUE Type d’onde Longeur d’onde (λ) Fréquence (ν) Préfixe Valeur Ondes radio 30 cm à 30 Km 9 KHz à 3000 GHz E (Exa) 1018 P (Péta) 1015 T (Téra) 1012 G (Giga) 109 Micro-ondes 1 mm à 30 cm 3 Hz à 300 Hz 780 nm à 1 000 000 n m 3 THz à 405 THz Visible (rouge, orange, jaune, vert, bleu, indigo, violet) 400 nm à 745 nm 405 THz à 750 Thz K (kilo) 103 Rayonnements ultraviolet (UV) 10 nm à 400 nm 750 Thz à 30 PHz c (centi) 10-2 Rayons X 5 pm à 10 nm 30 Phz à 30 Ehz n (nano) 10-6 30 Ehz p (pico) 10-12 Rayonnements Infrarouges Rayonnements Gamma (γ) 5 pm La longuer d’onde est la plus courte distance séparant deux points d’une onde strictement identiques à un instant donné. SI m (mètre) La fréquence est, pour une unité de temps donnée le nombre de fois que le phénomène se reproduit identique à lui-même. SI Hz (Hertz) LES MOYENS D’OBSERVATION LE TÉLESCOPE HUBBLE LANCEMENT 24 avril 1990 ORGANISATION NASA, ASE ALTITUDE 590 km ORBITE Elliptique basse TYPES D’ONDES Visible, ultraviolet, proche infrarouge Couplé à divers spectromètres et trois caméras : -une à large champ pour les objets faiblement lumineux -une autre à champ étroit pour les images planétaires -une réservée au domaine infrarouge. DESCRIPTION TECHNIQUE DU TÉLESCOPE HUBBLE LE SATELLIT PLANCK LANCEMENT 14 mai 2009 ORGANISATION ESA ALTITUDE 1.5 million km ORBITE Héliocentrique TYPES D’ONDES Micro-ondes, ondes radio, infrarouge Il observe l’Univers tel qu’il était il y a plus de 13 milliards d’années grâce à la lumière émise environ 380 000 ans après sa naissance DESCRIPTION TECHNIQUE DU SATELLIT PLANCK L’OBSERVATOIRE CHANDRA Il utilise des surfaces complexes (paraboliques et hyperboliques) dont la surface est recouverte d'iridium. LANCEMENT 23 juillet 1999 ORGANISATION NASA, SAO, CXC ALTITUDE 10 000-140 161 km ORBITE fortement elliptique TYPES D’ONDES Rayons X DESCRIPTION TECHNIQUE DU OBSERVATOIRE CHANDRA LE FERMI GAMMA-RAY SPACE TELESCOPE LANCEMENT 11 juin 2008 ORGANISATION NASA+France, Italie, Japon, Suède ALTITUDE 550-600 km ORBITE Elliptique basse TYPES D’ONDES Rayonnements Gamma Il cherche pour des sources cosmiques, étudiées par l’astronomie gamma, qui sont des accelérateurs naturels de particules. Photographie prise par le Fermi Gamma-Ray Space Telescope (Rayonnement gamma) L’ÉVOLUTION DE L’UNIVERS Photographie prise par le Satellit Planck (rayonnement de fond cosmologique – micro-ondes) LE BIG BANG • C’est la théorie accepté qui décrit l'explosion originelle qui aurait donné naissance à l‘Univers. • La matière et l'énergie se trouvaient concentrées en un seul point dont la masse et la température étaient infiniment, très élevées. • Puis serait survenue cette explosion qui libéra toute cette énergie, à la suite de laquelle se forma en quelques milliards d'années le monde tel que nous le connaissons aujourd'hui. ÉCOUTEZ LE SON DU BIG BANG Le physicien John G. Cramer décrit le son comme “un avion qui vole au-dessus de votre maison à une altitude de 100 m au milieu de la nuit”. L’EXPANSION DE L’UNIVERS GÉNÉRALITÉS • En cosmologie, l'expansion de l'Univers est le nom du phénomène qui voit à grande échelle les galaxies s'éloigner les unes des autres. • Du point de vue observationnel l'expansion se traduit par une augmentation de la longueur d'onde de la lumière émise par les galaxies : c'est le phénomène de décalage vers le rouge. LA COMPOSITION DE L’UNIVERS - 4 % matière ordinaire (atomes, molécules, étoiles, planètes) - 22 % matière noire (particules inconnues, on les apprécie les effets à travers la dynamique des galaxies) - 74 % énergie noire (de nature inconnue) • L’expansion de l’Univers s’accélère sous l'effet de l'énergie noire dont les effets dynamiques s’opposent à ceux de la gravitation. LES POSSIBLES FORMES DE L’UNIVERS COMMENT NOUS DÉCOUVRONS L’EXPANSION? • L'accélération de l'expansion de l'Univers – le phénomène qui voit la vitesse de récession des galaxies par rapport à la Voie Lactée augmenter au cours du temps. • La loi de Hubble - les galaxies s'éloignent les unes des autres à une vitesse proportionnelle à leur distance. • La constante de Hubble (H0) - la constante de proportionnalité existant aujourd'hui entre distance et vitesse de récession apparente des galaxies dans l'univers observable. L’EFFET DOPPLER • L’effet Doppler renseigne à la fois sur le mouvement des astres et sur les mouvements de matière à l’intérieur de ces astres. • Le décalage d’une raie visible se produit soit vers le rouge, ce qui indique que l’étoile ou la galaxie s’éloigne, soit vers le bleu, si elle se rapproche. LA FIN DE L’UNIVERS (THÉORIES) LE BIG RIP • Il prédit que la densité de l’Univers se mettra à augmenter avec le temps, et ça malgré le fait que l'univers reste en expansion. LE BIG CRUNCH • Il désigne l'effondrement de l'univers à la fin d'une phase de contraction symétrique de la phase d'expansion faisant suite au Big Bang. MORT THERMIQUE DE L’UNIVERS • L’Univers a déchu jusqu’à un état d’absence toute l’énergie thermodynamique disponible, ainsi qu’il s’est refroidi. LES TROUS NOIRS GÉNERALITÉS • C’est un corps extrêmement dense dont le champ gravitationnel est si intense qu’il empêche toute forme de matière ou de rayonnement de s’en échapper. • Ainsi, même la lumière est captive dans un trou noir, par conséquent, ces objets celestes ont été nommes trous noirs. • Dans le début du temps cosmologique les trous noirs ont eu une relation symbiotique avec les processus qui forment et développent les galaxies. • Jusqu'à la découverte que la plupart (sinon tous) les galaxies ont un trou noir dans leur noyau,les trous noirs n'avaient aucune importance particulière dans les phases initiales d'Univers. Maintenant il y a une grande convinction que les trous noirs sont un point de départ dans la formation d'une galaxie LA STRUCTURE D’UN TROU NOIR SINGULARITÉ - région de l'espacetemps au voisinage de laquelle certaines quantités décrivant le champ gravitationnel deviennent infinies L’HORIZON DES ÉVÉNEMENTS La zone sphérique qui délimite la région d’où lumière et matière ne peuvent s’échapper L’ERGOSPHÈRE – la région située au voisinage d'un trou noir en rotation DISQUE D’ACCRÉTION - la matière en orbite autour d’un trou noir LES TROUS NOIRS SUPERMASSIFS • Il existe des trous noirs qui peuvent contenir des masses provenant de milliards d’étoiles et retombant matière galactique et atteindre des tailles dépassant celle de notre Système Solaire. Ils sont connus comme les trous noirs supermassifs. • Ils sont maintenant considérées comme les objets au centre de la spirale et d’autres types de galaxies, ayant été construits à partir de millions d’étoiles et d’autres matières convergeant vers l’intérieur, comme si le déplacement d’un drain. • Leur rôle est de maintenir la galaxie de voler en éclats (et donc ses forces gravitationnelles sont le stabilisateur de la structure galactique). HISTORIQUE JOHN MICHELL (1724-1793) Physicien, astronome et géologue britannique, le parent de la seismologie moderne.. PIERRE-SIMON DE LAPLACE (1749-1827) Mathématicien, astronome et physicien français. ALBERT EINSTEIN (1879-1955) Physicien allemand. KARL SCHWARZCHILD (1873-1916) Astrophysicien allemand. ROY KERR (1934-) Mathématicien neo-zélandais. STEPHEN HAWKING (1942-) Physicien théoricien et cosmologiste anglais. LES QUASARS • • La gravité énorme d’un trou noir attire les particules de l’éxterieur de l’horizon des événements jusqu’à ce que leurs vitesses sont accélérés à une vitesse proche de la lumière. La matière est littéralement déchiré à l’entrée du trou noir. • Comme ces particules se rapprochent,dechargements d’énergie imense produisent des salves continues d’énergie en dehors de l’horizon, un processus qui est responsable de la plupart des Quasars. • Les quasars sont des objets extrêmement lumineux (la luminosité très élevée, comparable,même supérieure à celle d’une galaxie entière). • Ils ont été découverts comme sources intenses des ondes radio détectés par les télescopes radio. • La plupart des quasars sont si loin (mais certains plus récents se trouvent à proximité) que la lumière arrivant à terre à gauche la source Quasar, lorsque le jeune Univers était seulement d’environ 1/4 -1/6 de sa taille actuelle. • Ainsi, la plupart des quasars (plus de 75%) sont formés au début de l’histoire de l’Univers et beaucoup, en particulier les plus grands, sont devenus depuis, soit fortement diminués («dormants», avec parfois des poussées) soit éteints dans l’image de temps d’aujourd’hui . • Depuis les trous noirs peuvent encore se former dans le temps cosmologique jeunes, c’est à dire, récemment, à travers l’Univers, ils donnent naissance (généralement après des millions d’années) à des nouveaux quasars. • Peut-être autant que 50% du rayonnement électromagnétique dans l’Univers est liée à Quasars autour des trous noirs. LE QUASAR 3C273 Visible / Infrarouge LE ROL DE TROUS NOIRS DANS L’ÉVOLUTION DE L’UNIVERS • La longévité des trous noirs auraient un rapport avec la destinée ultime de l’Univers, quand toutes les étoiles se seront éteintes faute de combustible. Il ne restera plus que des trous noirs qui absorberont les cendres des étoiles puis faute de cendre les trous noirs s’évaporeront et laisseront l’Univers vide à la température du Zéro absolu. LA BIBLIOGRAPHIE - www.fr.wikipedia.org www. astrosurf.com/luxorion/trounoir.htm http://rst.gsfc.nasa.gov/Sect20/A6 www.hubblesite.org www.cnrs.fr/cw/dossier/dosbig http://fermi.gsfc.nasa.gov/ chandra.harvard.edu www.esa.int/planck “Les romans du Big Bang: La plus importante découverte scientifique de tous les temps”, Simon Singh “Les trous noirs”, Don Nardo L’ÉQUIPE PÉDAGOGIQUE LES PROFESSEURS RÉFÉRENTS: - Ileana Patrichi (Physique) - Maria Popescu (Mathémathiques) LES PROFESSEURS COORDONATEURS: - Svetlana Bodnăraş (Français) - Angela Diţu (Français)
