Le destin de l`univers

Le destin de l'univers
Dominique Boutigny
Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique des Particules
CNRS / IN2P3
La perception de l'univers à
travers les ages (1)
La vision que les hommes ont de l'univers a considérablement évoluée au cours
des ages
• Moyens d'observations: L'œil, la lunette, le télescope spatial Hubble…
• Les croyances
• La connaissance des lois de la physique
Au Veme siècle avant JC en Grèce : Observation d'une
éclipse de lune
 La terre est ronde
 L'univers à la forme d'une sphère creuse
 La Terre est au centre de l'univers
Modèle d'univers d'Aristote
(384 – 322 avant JC)
La perception de l'univers à
travers les ages (2)
Aristote: Les astres (Lune, Mercure, Soleil, Mars, Venus, Jupiter
et Saturne) sont placées dans des coquilles sphériques
imbriquées les unes dans les autres. Les mouvements sont
uniformes
Problème: Lorsqu'on observe les planètes (astres errants), les
mouvements ne sont pas uniformes, on voit même certaines
planètes qui semblent rebrousser chemin, puis revenir dans le
"bon sens"
La théorie ne rend pas compte des observations
 Il faut inventer autre chose:
• On garde l'idée des astres qui se déplacent selon des
cercles
• On ajoute la possibilité pour chaque planète de décrire
un petit cercle supplémentaire (épicycles)
Représentation de l'univers selon Ptolémée (2ème siècle
après JC)
Crédit: & Copyright Tunc Tezel
Uranus
Mouvement
rétrograde de Mars
La perception de l'univers à
travers les ages (3)
Plus les mesures du mouvement des planètes s'affinent, plus il devient
difficile de faire fonctionner le système de Ptolémée.
XVI ème siècle: Nicolas Copernic (1473 – 1543):
• Le Soleil est au centre de l'univers
• La Terre tourne autour du soleil
• La Lune tourne autour de la Terre
• La Terre tourne sur elle-même et est inclinée sur son axe
• Les astres sont toujours accrochés à des "coques
sphériques
Kepler (1571 – 1630) : Lois régissant le mouvement
des planètes
Galilée (1564 – 1642): Lunette astronomique – Principe de relativité: "Rien
n'est immobile, tout dépend du référentiel dans lequel on se place"
Newton (1642 – 1727): Théorie de l'attraction universelle
La démarche scientifique
La mise au point de la théorie qui décrit le mouvement des planètes
illustre les principes de la démarche scientifique:
1.
Observation
2.
Mise sur pied d'une théorie qui rend compte de l'observation
•
Éventuellement: prédiction de la théorie
3.
Nouvelle observation
4.
Mise en échec de la théorie
5.
Ajustement de la théorie pour rendre compte de l'observation
6.
Observation
7.
De temps en temps: bouleversement complet des conceptions de la
physique
8.
Etc ….
Les théories ont toujours un domaine de validité
L'élargissement du domaine d'observation entraîne souvent une remise
en cause de la théorie
La conception moderne de
l'univers
La Cosmologie
Spectre de la lumière
Lorsqu'on fait passer de la lumière blanche a travers
un prisme, celui-ci la décompose en différentes
couleurs ou longueurs d'ondes  Spectre
Onde courtes: Bleu – violet – ultra-violet…
Ondes longues: Rouge – infra-rouge…
L'analyse du spectre permet de déterminer les
caractéristiques de la source lumineuse
La position des raies d'absorption ou d'émission
permet de caractériser la composition de la source
Fer
Hydrogène
L'effet Doppler-Fizeau
La voiture se rapproche, le
son est aigu
La voiture s'éloigne, le son
est grave
Observateur
Toute onde (sonore, radio, lumineuse….) émise par une source en
mouvement est décalée :
• Vers les petites longueurs d'ondes lorsqu'elle se rapproche de
l'observateur – La lumière est décalée vers le bleu
• Vers les grandes longueurs d'ondes lorsqu'elle s'éloigne - La lumière
est décalée vers le rouge
Application:
Le radar
Le décalage dépend de la vitesse de la source / l'observateur
routier
L'univers en expansion (1)
En 1923 Edwin Hubble se rend compte que certaines "nébuleuses" sont
situées bien au delà de notre galaxie et sont en fait d'autres galaxies
En 1929 Edwin Hubble fait l'hypothèse
suivante:
Crédit & Copyright: O. Lopez-Cruz (INAOEP) et al., AURA,
NOAO, NSF
"Plus une galaxie est éloignée, plus son
diamètre apparent doit être petit"
Il mesure les spectres de la lumière en
provenance de ces galaxies
Hubble se rend compte que les spectres sont décalés vers le rouge et que plus la
galaxie est éloignée plus le décalage est important
Les galaxies s'éloignent de nous et plus les galaxies sont loin, plus elles s'éloignent
vite – Le phénomène est le même dans toutes les directions !!!
Loi de Hubble: V = H.R
V: vitesse de récession
R: Distance
H: Constante de Hubble
L'univers en expansion (2)
La découverte de Hubble montre que dans le passé les objets célestes étaient bien
plus proches les uns des autres
Si on remonte le temps on arrive à un instant où tout l'univers était concentré
dans une petite région de l'espace
 Théorie du Big-Bang
Il ne faut pas se représenter l'expansion de l'univers comme une explosion:
c'est l'espace lui même qui se dilate
Il n'y a pas de centre pour cette
expansion. Chaque galaxie voit ses
voisines s'éloigner
De même que des grains de raisins
dans un cake en train de cuire
s'éloignent les uns des autres !!!
Crédit:: http://nrumiano.free.fr/Fcosmo/cg_bb.html
Une galaxie à située à 2,4 milliards
d’années-lumière de nous s’éloigne
à 51 000 km /s
L'univers en expansion (3)
Les supernova sont des étoiles en fin de vie qui explosent avec une violence
extrême
La luminosité des supernova est telle que l'on
peut en repérer à des distances considérables
Grande distance  On remonte
loin dans le temps
Si on connaît la distance de la supernova et son
décalage vers le rouge, alors peut tester la loi de
Hubble sur des astres qui ont émis leur lumière
il y a plusieurs milliards d'années
La vitesse d'expansion de l'univers s'accélère
Confirmé en 2001 par le télescope spatial Hubble
Le rayonnement de fond
cosmologique (1)
En 1965 Penzias et Wilson utilisent une antenne
géante et ne parviennent pas à éliminer un bruit
parasite
Ces parasites sont des micro-ondes qui
proviennent de toutes les directions
En fait, ce rayonnement provient de l'espace tout
entier  Rayonnement fossile à ~3o K
Pendant 300 000 ans, l'univers est totalement opaque. Puis, en se refroidissant, à
un instant donné, la lumière (le rayonnement) peut se propager librement.
 Découplage
Le rayonnement fossile est une photographie instantanée de cet instant, c'est
la plus vieille "lumière" de l'univers
Le rayonnement de fond
cosmologique (2)
Le rayonnement cosmologique a été mesuré avec une grande précision par le
satellite WMAP
Chaud
Froid
Tiède
La température est presque constante (2.73 oK) avec de minuscules fluctuations
L'inflation
L'homogénéité de la température pose un sérieux problème:
Comment des régions de l'espace aussi éloignées et qui n'ont jamais été
en contact, peuvent-elle avoir la même température?
 Problème de la causalité
L'hypothèse de l'inflation
On pense, que l'univers est passé par
une phase d'expansion très rapide
lors de ces premiers instants (10-35s)
Le rayon de l'univers croît d'un
facteur 1050 en un temps très court
Univers fermé, ouvert ou plat ?
2 effets s'opposent: L'expansion qui tend à écarter les éléments de l'univers et les
forces de gravitation qui tendent à les rapprocher.
Tout depend de la densité de l'univers:  paramètre W
Univers ouvert: Le taux d'expansion de l'univers
l'emporte sur les forces de gravité. W < 1 –
L'univers va se diluer à l'infini
Univers plat: Le taux d'expansion de l'univers
compense exactement les forces de gravité. W = 1
(2 atomes / m3) – L'univers s'étend à l'infini, mais
son taux d'expansion tend vers zéro
Univers fermé: Le taux d'expansion de l'univers est insuffisant pour équilibrer les
forces de gravité. W > 1 – L'univers va se re-contracter  "Big Crunch"
L'univers plat semble très improbable, pourtant c'est l'hypothèse actuellement
privilégiée et l'inflation peut rendre compte de ce cas de figure
On ne voit pas tout !
On peut estimer la masse de l'univers à partir de la matière visible
Galaxie spirale
Vitesse de rotation / Rayon
La seule façon d'expliquer les vitesses de rotation dans les galaxies est de
supposer qu'il y a (beaucoup) de matière loin du centre que l'on ne voit pas
Il manque 90% de la matière !!!

Matière Noire ???
On ne sait pas de quoi est faite cette matière
Ce qu'on sait de l'univers en 2003
L'univers est en expansion
L'expansion s'accélère
Mesures de WMAP
Il y a de la matière noire
Mesures des supernova
lointaines
La grande homogénéité de la température de
l'univers conduit à l'hypothèse de l'inflation
Il y a tout de même des petites fluctuations
de température
Matiere
noire
23%
Matiere
habituelle
4%
Energie
noire
73%
L'univers est âgé de 13,7
milliards d'années
Les premières étoiles se sont
allumées 200 million d'années
après le Big-Bang
Il semble bien que l'univers
soit plat ( W = 1 )
On n'a que très peu d'idées sur la nature de
l'énergie noire !!!
Le futur…
Le télescope spatial JDEM détectera ~ 2000
supernova lointaines par an et mesurera leur
décalage vers le rouge
Le satellite Planck mesurera la température de l'univers
avec une très grande précision
Lancement en 2007 par Ariane
Tentatives de détection directe de la matière
noire dans les laboratoires souterrain
Références
Biographies des physiciens célèbres:
http://www.infoscience.fr/histoire/biograph/biograph_som.html
Spectre de la lumière:
http://www.learner.org/teacherslab/science/light/color/spectra/
Refaire les mesures de Edwin Hubble:
http://jersey.uoregon.edu/hubble/Hubble_plugin.html
Site général sur la cosmologie: http://nrumiano.free.fr/ac_cg.html