Concepts, notions et termes à maîtriser pour survivre en astrophysique

Concepts, notions et termes à
maîtriser pour survivre en
astrophysique
Memento écrit à l'attention du groupe
« Astronomie, astrophysique et
physique quantique »
Le partage est bien entendu encouragé.

I. Les particules
Une particule est un objet physique décrit par la physique des particules, il
en existe trois catégories :
•particules élémentaires particules fondamentales qui sont →
indivisibles, c'est à dire non-composées d'autres constituants. Elles sont
décrites par le modèle standard des particules. Elles sont classées en
deux groupes, les fermions (composent la matière baryonique) et les
bosons (vecteurs des interactions fondamentales),
Exemple : électrons (fermion), quarks (fermion), photon (boson)...
•particules composites particules composées d'autres particules. Elles →
sont classées en deux catégories : les hadrons (composés de particules
élémentaires) et les autres.
◦Hadrons l'on y retrouve les →baryons (fermions) et les mésons
(bosons). Exemple : neutron (baryon), proton (baryon), pion (méson),
kaon (méson)...
◦Autres non-composées directement/exclusivement de particules →
élémentaires. Par exemple l'atome (nucléons + électrons) voire la
molécule (groupement d'atomes).
•particules subatomiques toute particule dont la taille est →inférieure à
celle de l'atome : nucléons, électrons, quarks, photons...
Une particule est décrite par certaines caractéristiques :
•masse exprimée soit en →kg soit en électronvolts/c² (eV/c², KeV/c²,
MeV/c², GeV/c²).
•spin moment angulaire, décrit →l'état de rotation de la particule (ceci
est une appréhension du spin très simplifiée, en réalité la physique
quantique démontre que cette notion est autrement plus complexe
puisque les particules ne sont pas des objets ponctuels). Le spin est soit
entier (bosons) soit demi-entier (fermions).
•charge électrique peut être positive ou négative, exprimée en →
coulomb (C) ou en charge élémentaire (électron, proton).
•durée de vie temps d'interaction avant désintégration, en secondes.→

II.Les interactions fondamentales
Les interactions fondamentales sont les phénomènes physiques qui
maintiennent la cohérence de l'Univers. De ces interactions fondamentales
découlent toutes les autres forces/interactions. Il en existe quatre :
•interaction électromagnétique composée d'une →partie électrique et
d'une partie magnétique. Elle agit sur les objets ayant une charge
électrique et peut donc être soit attractive (entre deux charges
opposées) soit répulsive (entre deux charges de même signe). Elle est
responsable de la cohésion de la dynamique atomique en liant les
électrons (charge -) au noyau atomique (charge +). Sa portée est infinie
mais diminue (4 fois plus faible) dès que la distance double. Son vecteur
est le photon (masse nulle, spin 1).
•interaction faible seule interaction non-responsable de cohésion. →
Agit sur tous les fermions, y compris les neutrinos. Sa portée est très
faible, de l'ordre de 10-17 mètres à cause de la masse de ses vecteurs.
Elle est à l'origine de la radioactivité bêta, par la désintégration des
particules subatomiques. A ce titre, elle est responsable des réactions de
fusion thermonucléaire stellaires. Elle permet en outre aux quarks de
changer de saveur et ainsi de transformer un neutron en proton par
exemple. Ses vecteurs sont les bosons W+, W- et Z0 ; tous de spin 1 et de
masse comprise entre 80 et 90 GeV.
•interaction forte plus puissante des interactions fondamentale. →
Assure la cohésion des hadrons en maintenant les quarks entre-eux.
Ainsi, les nucléons (neutrons et protons) qui sont composés de quarks
sont maintenus dans cet état par l'interaction forte, le noyau atomique
peut donc exister. Sa portée est de l'ordre de 2-15 mètres. Son vecteur est
le gluon (masse nulle, spin 1).
•gravitation plus faible de toutes les interactions mais →dominante à
l'échelle des grandes structures de l'Univers. C'est une force attractive
permettant aux corps massifs de s'attirer et responsables de plusieurs
phénomènes (orbites planétaires, marées, dynamique galactique...). Son
vecteur est actuellement inconnu, le graviton est un des candidats.

III. Atomistique
L'atome est composé d'un noyau atomique autour duquel gravitent des
électrons. L'atome est électriquement neutre.
•Le noyau atomique est formé par les nucléons, c'est à dire les protons
(chargés positivement) et les neutrons (charge nulle) ; le noyau
atomique est donc chargé positivement.
•Les électrons, quant à eux, sont chargés négativement.
L'interaction électromagnétique permet donc une attraction entre le noyau
atomique et les électrons.
Les électrons ne « tournent » pas autour du noyau atomique. Ils sont répartis
autour de celui-ci selon des nivaux d'énergie, des orbitales atomiques, et
forment le nuage électronique. Leur trajectoire ne peut-être évaluée que de
manière statistique via les outils probabilistes offerts par la mécanique
quantique. En d'autres termes, les électrons n'évoluent pas dans des cercles
concentriques autour du noyau mais dans des zones où la probabilité de les
trouver est élevée.
Un électron est « au repos » lorsqu'il est dans son état d'énergie fondamental,
on dit qu'il est dans son état basal. Toutefois il peut être excité quand son
énergie dépasse son énergie de l'état fondamental, on dit qu'il possède une
énergie potentielle surabondante, c'est à dire trop élevée. Cela arrive lorsque
l'électron absorbe un photon. Dans ce cas, l'électron « saute » d'une orbitale à
l'autre, il passe au niveau d'énergie supérieur comme si il sautait par dessus
une barrière. Au bout d'un certain moment, il se désexcite en émettant un
photon (il rend son énergie) et revient au niveau inférieur (puisque l'orbite
est restée libre en attendant).
Un atome peut se voir arracher un électron ou en capturer un. Ainsi un atome
qui a perdu un électron est un cation. Tandis qu'un atome ayant gagné un
électron est un anion. Les cations et les anions sont des ions. Une structure
composée exclusivement ou d'une grande majorité d'ions est appelée matière
ionisée.
L'ensemble des atomes est décrit par le tableau périodique des éléments.
Chaque atome est classé selon son nombre de protons (Z) et son nombre de
masse (A), c'est à dire la somme neutrons + protons.

IV. Objets astrophysiques
L'Univers comporte un certain nombre d'objets qui ont été créés au cours de
son histoire et qui continuent de l'être. On peut succinctement dénombrer :
•les grandes structures on appelle «→ grandes structures » les objets les
plus grands de l'Univers (généralement plusieurs milliards d'années-
lumières), on peut ainsi y trouver :
◦les supermas association de →groupes d'amas de galaxies,
généralement subdivisés en nuages de galaxies.
◦les filaments galactiques structures filiformes (entre 60 et 80 →
méga-parsecs) composées de galaxies (exemple : le « Grand Mur »)
reliant les superamas.
•les galaxies →systèmes stellaires composés d'étoiles, de poussières, de
gaz, de matière noire et parfois d'un trou noir central. Il en existe
globalement trois types (classique, géante, naine) et elles peuvent être
classées en quatre morphologies :
◦galaxies elliptiques
◦galaxies lenticulaires (à disque, sans bras spiraux)
◦galaxies spirales (à disque, avec bras spiraux)
◦galaxies irrégulières (pas de forme définie)
•les trous noirs structures →plus ou moins denses suivant
généralement l'effondrement gravitationnel d'un objet stellaire. Un trou
noir est théoriquement composé d'une singularité gravitationnelle en
son centre entourée par un horizon des événements, lui-même
environné par un disque d'accrétion de matière baryonique. La
friction de la matière au sein de ce disque produit d'intenses
rayonnements X et gamma. Tandis que tout photon tombant au delà de
l'horizon se retrouve piégé par la courbure infinie aux alentours de la
singularité ; en effet, la vitesse de libération dans cette zone devient
supérieure à celle de la lumière dans le vide. Un trou noir peut-être
soit statique et électriquement nul, c'est alors un trou noir de
Schwarzschild, soit en rotation et électriquement non-nul, c'est alors
un trou noir de Kerr-Newman (si charge nulle = trou noir de Kerr).
Les trous noirs ne peuvent être observés directement. Ils le sont
indirectement par leur effet de courbure gravitationnel et par les
nombreux rayonnements (gamma, X, radio) qu'ils émettent.