Enquête sur l`origine de la matière
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Enquête sur l’origine de la matière DOCUMENT ENSEIGNANT ENSEIGNANTS Niveaux : Collège et Lycée Physique Science de la vie et de la Terre 1h30 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT OBJECTIFS • Comprendre l’unité du vivant et du minéral, point de départ d’une enquête sur l’origine de la matière. • Chercher des indices dans le passé de la Terre, puis dans les étoiles et enfin le vide. • Remonter le temps d’aujourd’hui à il y a 13, 7 milliards d’années. • Sensibiliser à la très belle muséographie de l’exposition. L’exposition “Le grand récit de l’Univers” est organisée sur deux niveaux. La première partie, située à l’étage inférieur (niveau 2 d’Explora), raconte l’histoire de l’Univers à travers une enquête sur l’origine de la matière. Cette enquête débute sur Terre, par l’étude de roches issues de la croûte terrestre et de roches extraterrestres. Elle se poursuit dans les étoiles, les galaxies, puis dans le vide. Le niveau supérieur permet de découvrir ou d’approfondir les lois physiques qui ont permis d’écrire cette histoire et de rencontrer les hommes qui les ont découvertes, notamment Newton et Einstein. Ce questionnaire porte exclusivement sur les éléments d’exposition de l’étage inférieur. Le document est modifiable pour être adapté au niveau des élèves. Les titres des éléments de présentation à retrouver sont mis en exergue, par exemple : Roches, les apparences trompeuses (roches). Pour compléter votre visite, nous vous invitons à découvrir deux autres expositions : “Images” et “Jeux de lumière” (niveaux 1 et 2 d’Explora). Le Grand récit de l'Univers 2 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT ELEMENTS utilisés dans l’exposition Le Grand récit de l'Univers Ce parcours utilise (presque) tous les éléments de présentation de l’exposition (niveau inférieur uniquement). • Roches terrestres (volcaniques, sédimentaires, métamorphiques) et roches extraterrestres. • Films, manipulations et logiciels interactifs. • Salle originale, en fin de parcours, permettant d’appréhender la notion du vide. 3 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT LE PLAN DE L’EXPO Le Grand récit de l'Univers 4 Enquête sur l’origine de la matière DOCUMENT ENSEIGNANT ENSEIGNANTS RÉPONSES AU QUESTIONNAIRE DES ÉLÈVES Niveaux : Collège et lycée Physique Science de la vie et de la Terre ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT RÉPONSES 0•1 Préambule Entrez dans l’exposition. Tournez à gauche et avancez vers le fond d’une rivière caillouteuse, au milieu de l’eau. Une voix off vous invite à vous interroger. Que raconte-t-elle ? La matière qui est en nous et autour de nous, l’eau que nous buvons, tout ce qui est sur Terre jusqu’au plus lointaines étoiles, ont en commun d’être faits des mêmes atomes. 0•2 Cette unité est source d’un questionnement qui sera votre fil conducteur dans l’exposition. Lequel ? D’où vient cette matière qui nous constitue et qui nous entoure ? Enquête sur l’origine de la matière - 1 I • Que racontent les roches de la Terre ? L’enquête commence sur Terre, avec des échantillons de roches qui racontent leur histoire, dans une ambiance qui évoque la Terre et son volcanisme, avec des couleurs ocre et des lumières rougeoyantes. Les roches sont la matière de la Terre. Qu’apprendre des roches volcaniques ? I•1 Observez, touchez et comparez ces trois roches : le granite, la rhyolite et l’obsidienne. Elles se sont formées à partir de … … magma (roche en fusion contenant des gaz dissous). Ces roches sont faites des mêmes minéraux. Pourtant, elles ne se ressemblent pas. Leurs différences d’aspects nous renseignent sur leur … … vitesse de refroidissement. Le refroidissement fût brutal pour l’obsidienne, rapide pour la rhyolite et lente pour le granite. I•2 Le Grand récit de l'Univers Quelle est la roche qui couvre les 2/3 de la surface de la Terre ? Où cette roche se forme-t-elle essentiellement ? Le basalte. Les laves basaltiques sont éjectées par le volcanisme de dorsales océaniques et se forment par refroidissement brutal du magma dans l’eau. C’est au niveau des dorsales océaniques que l’activité volcanique est la plus intense et que se forme le plancher océanique (lithosphère océanique). 6 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT I•3 Utilisez les boutons du planisphère et voyez comment sont répartis les zones de séismes et les volcans. Ils se superposent et délimitent à la surface de la Terre une dizaine de grandes zones géologiquement stables, appelées… … plaques tectoniques ou lithosphériques. I•4 Tout bouge en profondeur et tout change en surface. Les mouvements de matière à l’intérieur de la Terre sont à l’origine du volcanisme et du déplacement des plaques tectoniques. Ces mouvements, dits de “convection”, se produisent au niveau… … du manteau terrestre. Le "moteur" à l'origine des mouvements des plaques terrestre est le phénomène de convection qui se produit au niveau du manteau. Il permet d’évacuer l’énergie interne de la Terre lors d’éruptions volcaniques et de séismes. Certains volcans peuvent exister ponctuellement, hors des limites des plaques, au niveau … …des points chauds. La lave peut surgir au milieu d’une plaque : ce sont les points chauds. I•5 Le magnétisme d’un basalte ne correspond pas toujours au magnétisme du lieu où il est trouvé. Pourquoi ? Le basalte enregistre le champ magnétique terrestre du lieu où il refroidi. Lorsque la mémoire magnétique d’une roche n’a rien à voir avec le champ magnétique du lieu où elle est trouvé, on peut en déduire qu’elle est resté depuis son refroidissement sur une plaque qui a voyagé. La matière qui constitue les roches que nous venons d’interroger préexistait donc dans le magma. Interrogeons d’autres roches, les roches sédimentaires, présentées sur un second groupe de tables. Que nous dévoilent-elles ? I•6 Le Grand récit de l'Univers Les stromatolithes se sont construits à partir d’algues et marquent un moment essentiel. Lequel ? Les stromatolithes coïncident avec l’augmentation de la concentration d’O2 de l’océan, provoquant à son tour l’augmentation de la composition d’oxygène dans l’atmosphère. Mais la vie était déjà apparue puisque les stromatolithes sont formés à partir des êtres vivants, les algues bleues. 7 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT I•7 Caressez la surface de cette roche. Que vous rappelle-t-elle ? Quel est le principe de géologie qui permet de savoir qu’il y a 230 millions d’années, il était possible d’aller à la plage dans les Vosges ? C’est le principe de l’actualisme selon lequel les événements du passé, notamment l’édification des couches géologiques, se sont déroulés selon les mêmes modalités que les événements actuels. I•8 Si vous trouviez un corail comme celui-ci, il vous donnerait des indices sur … … la vitesse de rotation de la Terre. Ce corail, qui remonte au dévonien (il y a 370 millions d’années), indique grâce à ses fines stries journalières, que l’année durait à l’époque 400 jours au lieu de 365 jours ¼ (une journée durait 20 h au lieu de 24 h). Les roches sédimentaires sont donc les mémoires de l’histoire de la Terre : mémoires de vies passées, de climats, d’environnements. Mais elles se forment à partir de matière préexistantes. Interrogeons les roches métamorphiques, réunies sur un troisième groupe de tables. I•9 Où peut-on trouver, entre autre, des roches métamorphiques ? Les roches métamorphiques se rencontrent au niveau des failles, là où la roche a été plissée et dans les zones anciennes de subduction. I • 10 Que traduit la présence de grenats dans cette éclogite ? (Où les grenats se forment-ils ?) Les grenats sont des minéraux qui ne peuvent se former que dans les conditions de températures et de pressions rencontrées par les basaltes océaniques plongeant lors d’une subduction. Les grenats sont en effet des minéraux témoins de subduction. Cette éclogite a ensuite été remontée en altitude au cours d’événements à l’origine d’une chaîne de montagnes, qui a été érodée. Le Grand récit de l'Univers 8 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT Les roches métamorphiques témoignent des transformations de roches préexistantes au long de périodes géologiques. Les trois types de roches accessibles sur Terre (magmatiques, sédimentaires, métamorphiques) montrent que la Terre recycle sa matière. L’enquête se poursuit. Comment donner un âge à la Terre ? Comment dater les événements géologiques ? Comment dater les roches ? Rendez vous autour d’un quatrième groupe de tables pour trouver les réponses. I • 11 La reconstitution de l’histoire d’un paysage se construit selon les principes… … de superposition et de recoupement. Ces principes permettent-il de dater les événements géologiques ? Ils ne permettent pas de donner un âge aux paysages mais constituent le moyen d’établir une chronologie relative. I • 12 Quelle est la méthode qui mène à la datation absolue d’une roche (c'est-à-dire donner un âge à une roche) ? La radioactivité, un phénomène qui se produit au cœur des atomes qui composent la matière autour de nous, c'est-àdire dans le noyau. Les géologues peuvent remonter le temps grâce à la désintégration radioactive de certains d’atomes. I • 13 A quel personnage doit-on la première datation absolue ? Quel âge donna-t-il à la Terre ? Rutherford est le premier à réaliser une datation absolue de la Terre en mesurant l’hélium produit par la désintégration du radium dans une roche. Résultat : 40 millions d’années, un chiffre qu’il reverra à la hausse plus tard, en estimant l’âge de la Terre à 500 millions d’années. Au milieu du XXe siècle, les géologues et les astronomes sont confrontés à une contradiction. Laquelle et pourquoi ? Les géologues et les astronomes aboutissent à des résultats différents concernant l’âge de la Terre : les premiers lui donnent 3,4 milliard d’années alors que l’expansion de l’univers et la relation de Hubble suggèrent un univers plus jeune que la Terre, de 1,4 milliard d’année !! Finalement, l’âge de la Terre sera estimé à 4,6 milliards d’années à partir d’analyses de… … météorites. Le Grand récit de l'Univers 9 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT Enquête sur l’origine de la matière - 1 II • Que racontent les roches extraterrestres ? Les roches terrestres ont livré de nombreux messages mais l’histoire des couches profondes semblent inaccessibles. Les météorites, formées en même temps que la Terre, auront peut-être des informations à livrer… Avancez jusqu’à la salle intitulée : « Les roches extraterrestres racontent ». II • 1 La partie dédiée aux roches extraterrestres est marquée par des tubes et des câbles verticaux et obliques. Que symbolisent-ils ? La chute des météorites II • 2 Touchez cette grosse roche posée au sol. Elle pèse 80 kg. Il s’agit d’une météorite appelée chondrite. Les chondrites ne ressemblent à rien de ce que l’on connaît sur Terre. Elles ont pourtant en commun … … la densité et la composition chimique – Les chondrites ont la même densité que la Terre (5,4) et leurs composés chimiques sont identiques. Contrairement à la Terre, les chondrites sont homogènes. D’autres météorites, les sidérites, ont la composition du noyau de la Terre. D’autres, les lherzolites, ont la composition du manteau. D’autres encore, les achondrites basaltiques, ont la composition de la croûte terrestre. La Terre et les météorites sont donc faits de la même matière. Oui II • 3 Ecoutez attentivement ce film de synthèse sur la formation de la Terre au sein du système solaire, pour tenter se savoir d’où vient cette matière ? Avez-vous la réponse ? Toujours pas. Leur matière préexistait dans le nuage de gaz et de poussières qui a donné naissance au Soleil, aux planètes, aux astéroïdes, aux météorites… il y a 4,6 milliards d’années. Le Grand récit de l'Univers 10 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT Enquête sur l’origine de la matière - 2 III • Que raconte la lumière des étoiles ? La Terre recycle sa matière, elle n’en fabrique pas. Sa matière existait lors de la formation du système solaire. L’enquête se poursuit dans le ciel. Où sont les étoiles ? Comment mesurer leurs distances ? Nous entrons dans un espace plus sombre, avec des lumières ponctuelles. III • 1 Observez les étoiles les plus brillantes de la constellation de la Grande Ourse, derrière l’œilleton (c’est la position de la Terre). Ces sept étoiles forment ce que l’on appelle « Le grand chariot ». Que constatez-vous lorsque vous changez de point de vue ? Les étoiles qui forment les constellations ne sont pas toutes à la même distance de la Terre. Si l’étoile la plus proche, après le Soleil, est à 4,3 années lumière (AL)*, les distances se chiffrent en dizaines, en centaines et en milliers d’AL. Toutes les étoiles que nous voyons dans le ciel appartiennent à notre galaxie, qui compte entre 200 et 400 milliards d’étoiles, qui sont autant de soleils lointains. La Voie Lactée est faite d’une accumulation d’étoiles, qui correspond à notre galaxie spirale, vue par la tranche. III • 2 Il existe plusieurs méthodes qui permettent de connaître la distance qui nous sépare des étoiles. La parallaxe permet de mesurer la distance des étoiles les plus… … proches. Pointez la lunette vers l’étoile simulée par la source lumineuse au mur et suivez les instructions du logiciel. La parallaxe est la méthode la plus directe, qui fait appelle à la géométrie : on définit un triangle dont l’étoile est à l’un des sommets. Le côté opposé est le diamètre… … de l’orbite terrestre. La méthode consiste donc à observer les déplacements apparents d’une étoile, par rapports aux étoiles et aux astres très lointains, que l’on peut considérer comme fixes, suivant la position de la Terre sur son orbite. La parallaxe d’une étoile est la valeur de l’angle sous lequel le rayon de l’orbite terrestre est vu de l’étoile. III • 3 La seconde méthode est celle des céphéides. Elle permet d’évaluer la distance d’une étoile peu lumineuse, qui pulse au même rythme qu’une céphéide lumineuse, dont la distance est connue par la parallaxe, en comparant leurs … …éclats. * 1 AL = 40 000 milliards de kilomètres Le Grand récit de l'Univers 11 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT Malgré les distances extraordinaires qui nous séparent des étoiles, il existe un moyen de les faire parler en analysant la lumière qu’elles produisent. Que racontent les lumières des étoiles ? III • 4 En 1672, Isaac Newton démontre, à l’aide d’un prisme, que la lumière blanche du Soleil est un mélange de toutes les couleurs de l’arc-en-ciel. L’étude du spectre d’une étoile permet de connaître, entre autre, … … la couleur et la température de surface. La température des étoiles bleues peut avoisiner les 35 000 degrés tandis que celle des les étoiles rouges est de 3 000 degrés. La température de surface du Soleil est de 6 000 degrés. Observez les trois courbes spectrales (spectre de corps noir ou courbe de Planck). Quelle est la caractéristique de la courbe produite par une étoile bleue, très chaude, par rapport à la courbe d’une étoile moins chaude ? La courbe d’une étoile bleue est plus haute et son maximum se situe vers le bleu. III • 5 Comment s’appelle le diagramme qui met en relation l’intensité lumineuse des étoiles et leurs températures de surface ? Le diagramme Hertzsprung-Russel ou diagramme H-R. Sur ce diagramme, les étoiles représentées par des points n’occupent pas des positions quelconques. La plupart sont regroupées dans une bande étroite et inclinée, appelée… … “séquence principale”, où elles passent la majeure partie de leur évolution. Le Soleil est l’une d’elles. Ce diagramme permet de classer les étoiles et de prévoir leurs évolutions. D’ici 5 millions d’années, notre soleil rejoindra… … la classe des géantes rouges puis celle des naines blanches, étoiles de faibles masses arrivées à la fin de leur vie, qui ne produisent plus d’énergie nucléaire. Peut-on dire que les petites étoiles comme le Soleil vivent plus longtemps que les étoiles plus massives ? Oui. Plus une étoile est massive, plus sa vie est courte. Une étoile de 10 masses solaires ne vit que quelques centaines de millions d’années alors que notre Soleil devait vivre 10 milliards d’années (il en est à la moitié de son âge). Les étoiles peu massives peuvent vivre jusqu’à 20 milliards d’années : c’est plus que l’âge actuel de l’univers. Le Grand récit de l'Univers 12 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT III • 6 Mettez-vous dans le champ de la caméra infrarouge qui donne la cartographie des températures de surface de la peau. La lumière des étoiles n’est qu’une petite partie des ondes électromagnétiques auxquelles nos yeux sont sensibles. Les rayonnements “non visibles” sont exploités pour étudier les objets célestes, comme l’infrarouge, qui permet de détecter la chaleur émise par de jeunes étoiles enfouis dans le cocon de gaz où elles voient le jour. Placez correctement les rayonnements suivants par rapport au visible (ci-dessous) : rayons gamma, infrarouge, ondes radio, ultraviolets, rayons X et micro-ondes. Les rayonnements les moins énergétiques sont l’infrarouge, les micro-ondes et les ondes radio, placés au-delà du rouge. De l’autre côté, on trouve les rayonnements les plus énergétiques : les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma. L'atmosphère terrestre constitue une barrière à ces rayonnements de haute énergie dont l’étude est capitale pour connaître et comprendre les différents milieux de l’Univers jusqu’aux phénomènes les plus cataclysmiques. Les instruments destinés à recueillir ces rayonnements sont emportés dans l’espace, à bord de ballons, de fusées-sondes ou de satellites. Les rayonnements que l'on capte au sol sont la lumière visible, une partie de l'infrarouge et les ondes radio. III • 7 Sélectionnez une source lumineuse (ampoules de gaz raréfié) et observez sa lumière décomposée par le réseau de diffraction, équivalent à un prisme, situé entre la lumière et votre œil. Renouvelez l’expérience avec d’autres lumières. Qu’observez-vous ? Qu’en déduisez-vous ? Ces raies sont associées à des éléments chimiques. Chaque élément (l’hydrogène, l’azote, le sodium, l’oxygène…) émet des raies spectrales différentes, à des longueurs d’ondes bien définies. A chaque élément chimique correspond un spectre de raies spécifique. C’est sa signature. III • 8 En 1802, un savant anglais, William Hyde Wollaston, décompose la lumière du jour avec un spectroscope. Il y découvre des raies noires, semblables à celles d’un code barre, comme si certaines couleurs étaient absorbées. Quel lien établir entre ces raies sombres et les raies colorées associées aux gaz étudiées en laboratoire, que nous venons de voir ? Quinze ans après la découverte de Wollaston, Joseph von Fraunhofer associe la présence de certaines de ces raies à une origine solaire. Les raies sombres qui apparaissent sur le spectre lumineux du Soleil correspondent point par point aux raies lumineuses obtenues en laboratoire. La lumière est absorbée par les éléments présents dans le Soleil. Le Grand récit de l'Univers 13 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT Les atomes présents dans le Soleil sont-ils tous connus sur Terre ? Et si oui, les proportions sont-elles les mêmes ? Absolument. Les éléments sont les mêmes. Seules les proportions diffèrent. L’hydrogène et l’hélium représentent à eux seuls 98 % de la composition de notre étoile (90% d’hydrogène). III • 9 Avec cet interactif informatique, plongez au cœur du Soleil et découvrez les processus de fusion de matière qui s’y déroule. Le Soleil brille en fabriquant de … …hélium à partir de l’hydrogène, ce qui peut se faire de deux manières : soit par le cycle dit proton-proton, qui correspond à la transmutation de l’hydrogène avec libération d’énergie, soit le cycle dit de Bethe (ou cycle de carbone) qui aboutit également à la transformation d’hydrogène en hélium, mais avec l’intervention du carbone qui intervient comme catalyseur. Notons que le carbone présent dans le Soleil pour ce cycle, ainsi que les autres éléments plus lourds, proviennent des restes d’autres étoiles s’étant désagrégées dans la région de la nébuleuse au sein de laquelle notre Soleil s’est formé. III • 10 Ce film explore les scénarii d’évolution des étoiles selon leurs masses. Les étoiles massives fabriquent des éléments lourds, jusqu’au fer. Les éléments plus lourds encore, tels que le plomb, l’or et l’uranium, sont créés par les étoiles plus massives au moment où elles explosent en… … supernovae. Ces éléments lourds viendront enrichir le gaz et les poussières du milieu interstellaire. De nouvelles étoiles naîtront à partir de ce mélange, et autour de certaines d’entre-elles, peut-être, des planètes. Le système solaire est né à partir d’une telle nébuleuse. Notre soleil connaitra-t-il une telle fin ? Pour quelle raison ? Non - Le Soleil n’est pas une grosse étoile. Dans 5 milliards d’années environ, le Soleil aura transformé en hélium la majeure partie de son hydrogène. Il utilisera alors l’hélium pour continuer à briller. Il va grossir, jusqu’à engloutir Mercure, Vénus, et peut-être la Terre. Sa température de surface ne sera plus que d’environ 3000° C (au lieu de 6000° C aujourd’hui). Il passera du jaune au orange. Après quelques millions d’années, notre soleil expulsera une grande partie de ses couches externes. Il restera de lui un noyau, petit, très dense, très chaud : une naine blanche. Ce résidu d’étoile va lentement refroidir avant de s’éteindre. Le Grand récit de l'Univers 14 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT Enquête sur l’origine de la matière - 2 IV • Que raconte la lumière des galaxies ? Nous venons de comprendre le processus de fabrication des éléments par les étoiles. Mais d’où vient la matière des premières étoiles ? La réponse se trouve peut-être dans la lumière des galaxies. IV • 1 L’analyse du spectre des galaxies, avec ses raies caractéristiques des éléments chimiques, nous apprend que la matière qui les constitue est… … la même que celle des étoiles de notre galaxie. La spectroscopie permet de connaître la température de surface d’un astre, sa pression, sa taille, ses éléments et même son mouvement et sa vitesse de déplacement ! En 1929, Edwin Hubble découvre le « Redshift », le décalage des raies de la quasi-totalité des galaxies vers la partie… … rouge de leurs spectres, comparés à un spectre de laboratoire. Ce décalage est d’autant plus grand lorsque les galaxies sont éloignées. Comment cette découverte est-elle interprétée à l’époque ? Et comment s’appelle la théorie concernant l’origine de l’Univers qui découle de cette découverte ? Les galaxies s’éloignent les unes des autres, d’autant plus qu’elles sont lointaines. Ce décalage est interprété en terme de dilatation de l’Univers, comme si l’Univers était en expansion. La théorie du “Big Bang” repose sur cette découverte. Si l’Univers est en expansion, dans le passé, il devait être plus condensé, plus petit, plus chaud. Ainsi est née l’idée d’un Univers qui a débuté à partir du “Big Bang”. IV • 2 Déclenchez le film d’animation. Le mouvement des galaxies les unes par rapport aux autres est souvent présenté comme un effet Doppler-Fizeau. De quoi s’agit-il ? Quand une source sonore se rapproche, il y a compression des ondes sonores : la longueur d'onde est plus courte et le son émis plus aigu. Au contraire, quand cette source s'éloigne, il y a décompression des ondes sonores : la longueur d'onde est plus longue et le son émis plus grave. Le son est plus aigu lorsqu’un train s'approche et plus grave quand il s’éloigne. Ce qui est vrai pour le son est valable pour la lumière : le grave correspond au rouge et l'aigu au bleu. Le Grand récit de l'Univers 15 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT Pourquoi le mouvement des galaxies n’est-il pas un effet Doppler-Fizeau ? Les galaxies ne fuient pas les unes par rapport aux autres, comme dans notre cadre de référence très newtonien, où le mouvement des objets se traduit par une vitesse. Les galaxies sont en fait les nœuds d’une trame qui se dilate. Les galaxies, tout en restant immobiles, se déplacent les unes par rapport aux autres. IV • 3 Cette maquette 3D nous dit que nous sommes condamnés à regarder l’Univers dans le… … passé, puisque la lumière des galaxies nous les montre telle qu’elles étaient. IV • 4 La question sur l’origine de la matière se pose à nouveau face à ces deux maquettes. Celle de gauche illustre le mouvement d’objets dans un champ gravitationnel comparable à notre système solaire. Les vitesses sont d’autant plus faibles qu’on s’éloigne du centre (du Soleil). La maquette de droite symbolise le mouvement des étoiles au sein d’une galaxie spirale. Les vitesses sont-elles les mêmes ? Comment peut-on l’expliquer ? Non - La maquette de droite montre des vitesses élevées et presque constante. Dès les années 1930, on remarque que le mouvement des galaxies au sein des amas de galaxies, et celui des étoiles au sein des galaxies, n’est pas compatible avec la gravitation de Newton. La vitesse de rotation des galaxies, par exemple, ne peut pas s’expliquer par la seule présence de la matière observable. On peut invoquer la présence de matière dite « noire » ou changer les lois de la gravitation pour rendre compte de ces observations. Le Grand récit de l'Univers 16 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT Enquête sur l’origine de la matière - 3 V • La réponse est-elle dans le vide ? 80 % de la matière de l’Univers nous est inconnue. A la question « D’où vient la matière des premières étoiles ? », nous n’avons toujours pas de réponse. Dans quelle direction chercher ? Et si la réponse se trouvait entre les galaxies, dans le vide… V•1 Le vide est une notion très relative. Donnez quelques exemples comparatifs pour illustrer cette notion. Une étoile à neutron possède une densité de 1 milliard de tonnes par cm3. La densité d’une étoile comme le Soleil est à peu près la même que celle de l'eau (1 kg/litre) tandis que la densité d’une galaxie peuplée de milliards d’étoiles atteint les 10-23 g/cm3 (1 atome d‘hydrogène/cm3). Il s’agit d’un vide que l’on ne sait pas produire en laboratoire. Bien que presque exempt de matière, le vide intergalactique est relativement "peuplé" de lumière et de champs magnétiques : chaque cm3 contient 400 photons (grains de lumière). L’Univers d’avant les étoiles raconte est une salle qui restitue par son ambiance une température proche du zéro absolu. C’est un espace sans réelle frontière, immatériel, où baigne une lumière froide diffusée à l’infini par les miroirs au sol et au plafond. V•2 Déclenchez le film et écoutez l’histoire de la découverte de l’Univers d’avant les premières étoiles. En 1965, Robert Wilson et Arno Penzias, deux physiciens américains, construisent une nouvelle antenne devant servir de relais entre la Terre et les premiers satellites de communications. Ils vont finir par découvrir que le rayonnement est perturbé par une source de bruit qui provient… … de radiations émises juste après le « Big Bang ». Les recherches conduisent dans un premier temps Wilson et Penzias à nettoyer les déjections des pigeons sur l’antenne… jusqu’à comprendre que ce bruit de fond micro-onde qui vient de toutes les directions du ciel, provient de l’espace profond. Ce rayonnement dans lequel nous baignons encore est appelé… - CMB (cosmic microwave background) ; - Fond diffus cosmologique ; - Fond à 2,7 K (kelvin) ; - Fond diffus micro-onde. Le Grand récit de l'Univers 17 ENQUETE SUR L'ORIGINE DE LA MATIERE DOCUMENT ENSEIGNANT Ce rayonnement fût observé par le satellite Cobe en 1992. Sa carte du ciel révèle des « taches », correspondant à d'infimes variations de températures, révélatrices de fluctuations de densité de matière qui seraient à l’origine de la formation des galaxies. Le 30 juin 2001, le satellite WMAP réalisa une image plus fine encore de notre Univers, lorsqu’il était à peine âgé de 380 000 ans, ce qui a permit de situer sa naissance à… … 13,7 milliards d'années, avec une marge d'erreur de l’ordre de 2 %. Le Grand récit de l'Univers 18
