Moteurs des découvertes astronomiques du XXe Siècle

Les
Révolutions de notre vision de l’Univers
au
XXème Siècle
Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Plan 1
Point de départ et Contexte :
 1543-1900 Consolidation de la révolution de Copernic-Galilée-New
 Fin du géocentrisme :
* La Terre tourne autour du Soleil et n’est pas le centre du monde ; elle
n’est qu’une planète parmi d’autres
* Le Soleil n’est qu’une étoile parmi des millions d’autres
* Il y a peut-être d’autres mondes habités ?
 Invention et triomphes de la physique classique,
* des lois de la mécanique (Galilée-Newton : 17e Siècle)
* à celles de l’électricité, optique, thermodynamique ( 19e Siècle)
 Moteurs des découvertes astronomiques du XXe Siècle
- Fantastiques bonds en avant technologiques
- Révolutions quantique (microphysique) et relativiste de la physique
  Cinq percées majeures
Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Plan 2
Cinq Percées majeures :
• Emergence de la notion de galaxies 1920
• Expansion de l’Univers  modèle du Big Bang 1930 – 1960 ….
• Compréhension du fonctionnement des étoiles
et de la fabrication des atomes des éléments chimiques 1940 - 1950
• Révélation du monde des très hautes énergies et des objets extrêmes :
supernovae ; quasars-trous noirs, etc. 1915 - 1960
• Exploration du Système Solaire 1960 ….
Découverte des exo-planètes. 1995
  Questions pour le XXIème Siècle
Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Point de départ
REPERES SUR L’ASTRONOMIE DE 1900 (cf. livres de C. Flammarion)
1543-1900 Consolidation de la révolution de Copernic-Galilée-Newton :
• Fin 16e et 17e siècles, l’astronomie est reine et au cœur de :
- l’abandon du géocentrisme (et de l’anthropocentrisme) et du système de pensée d’Aristote
- la naissance de la physique (Galilée et Newton)
• 18e et 19e siècles, l’astronomie accompagne les triomphes de la science: math, physique…
mais sur un mode relativement mineur et sans rupture majeure de la vision du Monde
Certes :
- Raffinements exquis de la mécanique du Système Solaire  découverte de Neptune
- Acquits majeurs de l’exploration du monde des étoiles et de leur physique
- Questions relativement bien posées sur les planètes, comètes, la pluralité des Mondes …
  mais inévitable myopie, impasses et surprenantes limitations …
Révolutions astronomiques au XXe Siècle : Point de départ
REPERES SUR L’ASTRONOMIE DE 1900
  mais inévitable myopie, impasses et surprenantes limitations …
Aucune idée des réelles échelles de dimensions, temps et énergies de l’Univers
• Physique limitée  impossible de :
- comprendre la source d’énergie des étoiles et l’âge de la Terre et donc du Soleil
- a fortiori d’imaginer les objets les plus extrêmes de l’astronomie actuelle
-  aucune idée des échelles d’énergie et de temps de l’Univers
• Notion de galaxie pas encore établie
 dimension apparente de l’Univers un million de fois plus petite que la réalité
 Conception de l’Univers terriblement indigente par rapport à la nôtre
Les moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle
Prodigieuses progression des techniques
Télescopes et optique
Des plaques photo aux énormes matrices de détecteurs numériques
Les grands sites astronomiques de l’an 2000 : VLT/ESO Paranal Chili
Les grands sites astronomiques de l’an 2000 : Mauna Kea Hawaï
Les moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle
Prodigieuses progression des techniques
Télescopes et optique
Des plaques photo aux énormes matrices de détecteurs numériques
Ouvertures de nouveaux domaines spectraux :
- Radioastronomie
L’interféromètre submillimétrique ALMA Chajnantor Chili vers 2012
Les moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle
Prodigieuses progression des techniques
Télescopes et optique
Des plaques photo aux énormes matrices de détecteurs numériques
Ouvertures de nouveaux domaines spectraux :
- Radioastronomie
- Espace :
* Télescopes affranchis des effets de l’atmosphère terrestre
 infrarouge, UV, rayons X, rayons gamma
Télescopes et sondes spatiaux
Herschel 2007
Hubble
Planck 1967
Rosetta 2004-
Darwin vers 2015
Les moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle
Prodigieuses progression des techniques
Télescopes et optique
Des plaques photo aux énormes matrices de détecteursnumériques
Ouvertures de nouveaux domaines spectraux :
- Radioastronomie
- Espace :
* Télescopes affranchis des effets de l’atmosphère terrestre
 infrarouge, UV, rayons X, 
* Sondes d’exploration du Système Solaire
Les grands moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle
1. Prodigieuses progression des techniques
Télescopes et optique
Des plaques photo aux énormes matrices de détecteurs numériques
Ouvertures de nouveaux domaines spectraux :
- Radioastronomie
- Espace :
* Télescopes affranchis des effets de l’atmosphère terrestre
 infrarouge, UV, rayons X, 
* Sondes d’exploration du Système Solaire
Informatique
 Manipulations d’énormes masses de données, analyse raffinée du signal
Les grands moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle
2. Les révolutions de la physique du début du XXe Siècle
A. Physique quantique : théorie du monde microscopique
atomes, noyaux, molécules, photons, particules élémentaires …
•A permis la compréhension très complète du fonctionnement et de
l’évolution des étoiles (1940-1950)
• Sous-jacente à toute l’astrophysique moderne :
compréhension des astres, de leur histoire
Les grands moteurs des révolutions de l’astronomie du XXe siècle
2. Les révolutions de la physique du début du XXe Siècle
B. Relativité : physique des hautes énergies et de la gravitation
Relativité « restreinte » (1905):
• Transformations des distances et du temps aux vitesses proches de celle de
la lumière ; E = m c²
• Cadre indispensable à la compréhension des énormes énergies astrophysiques
Relativité générale (1915) :
• Théorie relativiste unifiée de l’espace et de la gravitation
• Applications cruciales à la cosmologie et aux trous noirs
Cinq Percées majeures :
1. Physique et évolution des étoiles (1940-1950)
 synthèse des atomes des éléments chimiques
Monument de la théorie détaillée des étoiles :
• Machines thermiques assez simples (boules de gaz très chaud)
• Fournaises nucléaires du coeur (10 millions de degrés)
Réactions nucléaires régulées (4 H  He)
Synthèse des éléments chimiques (3 He  C, etc.)
• Modèles raffinés d’ensemble,
•  Compréhension détaillée de l’évolution et de l’âge des étoiles
Schéma d’une étoile très massive près d’exploser en supernova
Massive Star Structure
Puissance
Lumineuse
1 000 000 000
Supergéantes
1 000 000
Géantes
1 000
Soleil
Naines blanches
1
Diagramme HR (Luminosité/Température de surface)
VIE ET MORT DES ETOILES
• Formation rapide par effondrement gravitationnel d’une condensation de gaz
interstellaire
• Longue période stable bien régulée de combustion de l’hydrogène
(~9 milliards d’années pour le Soleil)
• Enflure en géante rouge
•« Explosion » finale très violente (supernovae) ou douce (nébuleuses)
• « Résidu» compact (naine blanche) ou très compact (étoile à neutrons)
Les étoiles massives sont hyperlumineuses et ont une courte durée de vie
Les petites étoiles vivent très longtemps
 Naines brunes, étoiles avortées trop petites pour amorcer la combustion de H
Vie d’une étoile de la masse du Soleil
Hélice
Œil-de-Chat
Nébuleuses
« planétaires »
Vue récente de la coquille autour de la supernova de 1987
Nébuleuse du
Crabe
Bulle filamenteuse
en expansion autour
d’un pulsar
(étoile à neutrons)
Créée par une
supernova
observée en 1064
Cinq Percées majeures :
2. Emergence de la notion de galaxies,
de leur milieu interstellaire et de leur monde
• Acceptée très tard, seulement vers 1920
Auparavant l’univers des astronomes était limité à ce qu’on sait maintenant
être notre galaxie, la Voie Lactée
• Briques élémentaires de l’Univers
• La Voie Lactée
• Systèmes en évolution, différentes classes
Notre Galaxie, la Voie Lactée
Prototype des galaxies spirales
Carte de visite :
• 100-200 milliards d’étoiles
liées par les forces d’attraction gravitationnelle
pratiquement ponctuelles
•~10% de gaz (surtout hydrogène)
(+~0.1% de poussières qui masquent complètement les régions internes du disque)
• Mystérieuse matière noire, largement plus massive que les étoiles
• Rotation d’ensemble (~100 km/s  période quelques 100 millions d’années)
Disque très très plat, surtout le gaz
Bras spiraux lumineux (jeunes étoiles)
Galaxies spirales
M51
Andromède
La Voie Lactée vue en infrarouge
Le rayonnement infrarouge est peu absorbé par les poussières et donne une image
fidèle de la répartition des étoiles lumineuses en infrarouge et de leur concentration
dans le disque et le bulbe galactiques autour du centre
Galaxies, mondes en évolution
• Jeu complexe d’interaction entre les étoiles et le milieu interstellaire
Formation d’étoiles à partir du gaz tant qu’il y en a :
~1 Msoleil par an dans la Voie Lactée
Ré-injection de gaz enrichi en atomes lourds vers la fin de la vie des étoiles
Évolution : proportion de gaz, structure, abondance des éléments chimiques
• Formation initiale d’une boule de gaz sphérique par effondrement gravitationnel
Ensuite formation d’étoiles, avec grandes flambées initiales
(pour les galaxies spirales, la grande rotation aplatit d’abord le gaz en disque)
• Mais aussi collisions/fusions de galaxies (fréquentes dans l’Univers jeune)
 Fortes perturbations ; nouvelles flambées de formation stellaire
(fusion Voie Lactée-Andromède dans quelques milliards d’années)
Nébuleuse de
l’Aigle
vue en infrarouge
(satellite ISO)
Pépinière de
jeunes étoiles
déchirant et
illuminant leur
nuage placentaire
de gaz et de
poussière
Schéma de classification des galaxies
Galaxie elliptique
Sombrero
Centaurus A
Cinq Percées majeures :
3. Emergence d’un modèle global (cosmologique) de l’Univers
3.1 L’Univers au grand large, uniformité
On sait actuellement que l’Univers visible contient des centaines de milliards
de galaxies
A très grande échelle (plus grande que celle des amas de galaxies), elles sont
réparties de façon remarquablement uniforme en moyenne, parfaitement
identique dans toute les directions  l’Univers est uniforme, il n’a ni centre
ni bords et est probablement infini
 Grande simplicité : l’état global de l’Univers et son histoire, objets de la
Cosmologie, dépendent seulement de quelques paramètres, aujourd’hui assez
bien connus
Cinq Percées majeures :
3. Emergence d’un modèle global (cosmologique) de l’Univers
3.2 Expansion de l’Univers  modèle du Big Bang
La découverte par Hubble dans les années 1920 de la « récession » (fuite) des
galaxies, avec v=Hd, est une des plus importantes du siècle
Elle implique un état initial extrêmement dense et chaud (« soupe »), en expansion
 modèle du Big Bang
Mélange initial homogène de particules élémentaires ; refroidissement
 gaz d’hydrogène et d’hélium
 étoiles et galaxies (disposées plus ou moins en groupes, amas et grandes structures)
Schéma du modèle cosmologique « standard » actuel
Très précis ; résulte d’un nombre assez grand de recoupements de données
d’origine variée, obtenues au prix d’immenses efforts dans les dernières années
Large accord :
Âge de l’Univers ~13.7 milliards d’années
L’Univers est pratiquement « plat » : propagation rectiligne de la lumière
Il est apparemment composé de trois « composantes » :
Matière ordinaire (atomes) « baryonique » :
~4%
Matière noire
~23%
Energie « noire »
~73%
La nature précise et même conceptuelle de la matière noire et surtout de
l’énergie noire reste inconnue
Nécessité d’une phase initiale d’ « inflation » où les dimensions de l’Univers se
sont accrues vertigineusement
Il existe un couplage intime entre la physique des particules et la cosmologie du
Big Bang, notamment dans la phase d’inflation, avec de possibles interrogations
sur des extra-dimensions de l’espace, sa topologie, etc.
Schéma d’Histoire de l’Univers
Age de l’Univers en milliards d’années
Nous sommes capables depuis quelques années de détecter des galaxies très
lointaines dans l’espace et le temps (plus de dix milliards d’années) et d’observer
ainsi directement les principales phases de formation d’étoiles dans des galaxies
analogues à la Voie Lactée, en particulier les violentes flambées initiales
Hubble
Ultra
Deep
Field
Modélisation
de la structure
filamentaire de
la distribution
des galaxies
dans l’Univers
à l’échelle de
300 millions
d’années-lumière
Cinq Percées majeures :
4. L’Univers violent, aux frontières de la physique
Révélations de sources d’énergie infiniment plus puissantes que les étoiles :
- Explosions de supernovae  hypernovae/sursauts  : des milliards de soleils
- Quasars : jusqu’à un million de milliards de soleils !
« Restes » de supernovae témoins de la violence de l’explosion
Crabe 1064
Tycho 16e Siècle
Modèle de binaire X
Le gaz de la grosse étoile est aspiré et tombe très violemment sur l’objet compact
Cinq Percées majeures :
4. L’Univers violent, aux frontières de la physique
Révélations de sources d’énergie infiniment plus puissantes que les étoiles :
- Explosions de supernovae  hypernovae/sursauts  : des milliards de soleils
- Quasars : jusqu’à un million de milliards de soleils !
Energie principalement gravitationnelle
Associée à des objets hyper-compacts (de physique encore imparfaitement comprise):
- Etoiles à neutrons (densité ~1 milliard de tonnes par cm3 !)
- Trous noirs
Emetteurs de rayonnement énergétique :
- rayons X et gamma, neutrinos, rayons cosmiques
- couramment détectables sur satellites ou à partir du sol
Trous Noirs
Energie des forces gravitationnelles proche de mc2  ultra-relativiste
Singularité/divergence de l’espace, fortement courbé
Forces gravitationnelles si intenses que « rien ne peut s’échapper », pas même
la lumière
Enorme énergie communiquée à la matière qui est accrétée (« tombe ») sur le
trou noir ; une partie est rayonnée avant l’engloutissement  quasar
Dans certains cas, d’énormes jets de matière relativiste peuvent être éjectés
 radiosources, quasars, mini-quasars
Modèle de jets :
quasar
binaire X / mini-quasar
Trous Noirs
Energie des forces gravitationnelles proche de mc2  ultra-relativiste
Singularité/divergence de l’espace, fortement courbé
Forces gravitationnelles si intenses que « rien ne peut s’échapper », pas même
la lumière
Enorme énergie communiquée à la matière qui est accrétée (« tombe ») sur le
trou noir ; une partie est rayonnée avant l’engloutissement  quasar
Dans certains cas, d’énormes jets de matière relativiste peuvent être éjectés
 radiosources, quasars, mini-quasars
Super-massifs : 1 million/1 milliard de masses solaires
- manifestes au centre des galaxies à noyau actif : quasars, etc.
-  « dormants » dans toutes les galaxies massives, surtout elliptiques
- bien identifié au Centre de la Voie Lactée :
quelques millions de masses solaires : orbites d’étoiles
Modèle de désintégration et engloutissement d’une étoile par un Trou Noir massif
Trou noir bien identifié au Centre de la Voie Lactée :
quelques millions de Mo : orbites d’étoiles
Orbites observées d’étoiles autour du Trou Noir central de la Voie Lactée
Cinq Percées majeures :
5. Exploration du Système Solaire et Exo-planètes
Exploration directe de tout le Système Solaire par sondes spatiales
Découverte de plus de 100 exo-planètes
 Exo-biologie
Axe majeur de recherche pour le XXIème Siècle
Exploration directe de tout le Système Solaire par sondes spatiales
Lune : Apollo (1969)
Mars : multiples missions : fabuleuses images
Autres planètes et satellites  Saturne/Titan (2005)
Paysage Martien
Canyon géant sur Mars
Exploration directe de tout le Système Solaire par sondes spatiales
Lune : Apollo
Mars : multiples missions
Autres planètes et satellites
Etudes comparées de l’évolution des planètes : atmosphère, intérieurs
compréhension de leur formation et de l’histoire du Système Solaire
Recherche de vie : Mars  Europa, etc.
Comètes (et asteroïdes)  matière primitive interstellaire
+ Riche information de l’analyse chimique de météorites primitives
 Acides aminés
Sonde Cassini
Saturne
Titan
Anneaux en couleurs réelles
Titan
Sources de
méthane dans
un sol de glace ?
Exploration directe de tout le Système Solaire par sondes spatiales
Lune : Apollo (1969)
Mars : multiples missions : fabuleuses images
Autres planètes et satellites  Saturne/Titan (2005)
Etudes comparées de l’évolution des planètes : atmosphère, intérieurs
compréhension de leur formation et de l’histoire du Système Solaire
Recherche de vie : Mars  Europa, etc.
Comètes (et astéroïdes)  matière primitive interstellaire
+ Riche information de l’analyse chimique de météorites primitives
 Acides aminés
Comète Hayakutate
Survol du noyau d’une comète
Gigantesque éruption-tempête solaire
(satellite SOHO)
Exo-Planètes
La généralité des systèmes planétaires autour des étoiles était suspectée depuis
longtemps
Détection difficile : Terre qq millionèmes de la masse du Soleil ; Jupiter qq
millièmes
En fait détection tardive, mais plus facile que prévu : surprise de trouver des
planètes massives tout près de certaines étoiles  petit mouvement de l’étoile
autour du centre de gravité étoile+planète
Plus de cent exo-planètes connues
Intense activité  projets très pointus au sol et dans l’espace pour détecter des
planètes de masse terrestre et caractériser leur atmosphère : Oxygène = vie
 Un des grands objectifs qui dominera tout le XXIe Siècle
Première image directe
d’une exo-planète
(à coté de son étoile
naine brune)
(ESO-VLT avril 2005)
Exobiologie
Question centrale de notre plongée dans l’Univers
Spéculations incessantes depuis des siècles sur l’existence d’extra-terrestres
 2 niveaux :
1. Origine de la vie
Question d’abord aux biologistes
 astronomes : rien ou peu (Lune ?) de spécial dans les conditions astronomiques
de la Terre et du Système Solaire à l’aube de la vie
 milliers de milliards de systèmes équivalents dans l’Univers
L’apparition de la vie est-elle banale ou unique ?
Première réponse dans le Système Solaire : Mars, etc. Si la vie est trouvée est-elle
apparentée à la vie terrestre ?
2. Apparition/devenir/survie des civilisations avancées ???
Colonisation assez rapide d’une galaxie semble possible. Aucune trace avérée
Possibilité d’Univers parallèles permettant de trouver les conditions
exceptionnelles favorables à la vie : principe anthropique ?????
Voies tracées et questions pour le XXIe Siècle
- 1. Sur les rails  20 prochaines années :
- Meilleurs paramètres cosmologiques
- Détection des premières générations de galaxies et d’étoiles de l’Univers
- Détection d’ondes gravitationnelles ; fusion de trous noirs massifs, etc.
- Arpentage de la Voie Lactée (GAIA)
- Premières exo-planètes terrestres
- Echantillons de comète  matière prébiotique
- Echantillons martiens  Vie ou non sur Mars
Voies tracées et questions pour le XXIe Siècle
- 2. Dans le Siècle :
- L’Homme sur Mars
- Vie ou non ailleurs dans le Système Solaire.
- Analyse des exo-planètes terrestresVie ou non
- Analyse de la matière pré-biotique : comètes, etc.
- Connaissance intime de la Voie Lactée
- Recherche très significative par radio des civilisations technologiques
de la Voie Lactée
- Mais on peut parier que la plupart des autres découvertes majeures répondront
aux questions difficiles suivantes ou à des questions non encore formulées.
Voies tracées et questions pour le XXIe Siècle
- 3. Questions difficiles
(reliées à la physique des particules,
dont les réponses peuvent être proches ou lointaines)
- Nature de la matière noire
- Origine de la réaccélération
- Physique de l’inflation et avant
- Possibilité/nécessité de dimensions supplémentaires de l’Univers
et de topologie non triviale ?
Plus :
- Vie/Intelligence extraterrestre (origine de la vie)
- (Principe anthropique)
z
z ~ 7 – 20 ?
- Reionization
PopIII stars +1st galaxies
-Formation of 1st galaxies
Pop. II stars
- First AGN
Dphot
(Gpc)
1000
--------------------
20
230
12
130
~ 300 million
z ~ 1.5 -4:
- Peak of star formation
submm sources + LBGs
- Peak of QSO activity
Proto-cluster formation
--------------------
z= 6 60
--------------------
z=2
16
-------------------
0.5
3
--------------------
0
z ~ 4–7:
Current frontier
- Galaxies and QSOs
detection
- End of reionization
~ 3.5 billion
z ~ 0.5-1.5 :
Final phase of active star
formation
- ISOCAM sources
- Weak X-ray AGN
- Cluster formation