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'annéeslumières), 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.
•
les étoiles → sphères de plasma au sein desquelles se déroulent des
réactions de fusion thermonucléaire permettant la production de
Vdifférents éléments chimiques (c'est la nucléosynthèse stellaire). Il
en existe huit types :
◦ géante rouge → étoile en fin de vie ayant fini de fusionner
l'hydrogène en son cœur
◦ géante bleue → étoiles très massive, chaude et brillante
◦ naine blanche → étoile résiduelle très dense qui se refroidit
progressivement suite à l'arrêt de toutes les réactions de fusion
nucléaire
◦ naine noire → résidu d'une naine blanche qui a totalement arrêté de
briller
◦ naine brune → proto-étoile pas assez massive pour amorcer des
réactions de fusion nucléaire
◦ naine rouge → petite étoile (entre 0,10 et 0,8 masse solaire) dont le
carburant est brûlé extrêmement lentement, 80% des étoiles de notre
galaxie
◦ naine jaune → étoile de taille classique, le Soleil est un exemple
◦ étoile à neutrons → étoile extrêmement dense, d'environ 10km de
rayon, composée d'un cœur de neutrons et faisant suite à
l'effondrement gravitationnel d'une étoile massive
•
les planètes → corps orbitant autour d'étoiles. Les planètes peuvent être
telluriques (corps rocheux par ex. la Terre) ou gazeuses (corps gazeux
par ex. Jupiter). Pour être une planète, un corps doit posséder un
diamètre d'au moins 800km et une masse d'au moins 5x1020 kg.
•
les satellites naturels → corps orbitant généralement autour d'une
planète. Exemple : Lune (Terre), Phobos (Mars), Io (Jupiter)...
•
les astéroïdes → petits corps (entre une dizaine de mètres et plusieurs
centaines de km) composées de roche, métaux et glace. Ils évoluent en
majorité au sein de regroupements appelés « ceintures d'astéroïdes ».
Les astéroïdes croisant l'orbite de la Terre sont appelés géocroiseurs.
•
les météorites → résidus de petits corps solides ayant résisté à leur
traversée de l'atmosphère ainsi qu'à l'impact au sol.
V. Cosmologie et particules
Le cadre actuel de la cosmologie est décrit par le modèle standard de la
cosmologie. Ainsi la cosmologie, dans sa branche théorique, s'attache à
décrire les premiers instants de l'Univers, avant le Big Bang, en proposant
des modèles pré-Big Bang :
• singularité initiale → singularité de laquelle serait né le Big Bang
• trou noir initial → trou noir matriciel
• fluctuations quantiques initiales
• collision branaire → Big Bang provoqué par collision entre deux branes
• instanton de Hawking-Turok → objet initial qui, en se désintégrant, à
donné naissance à l'Univers
• modèle cyclique → cycle de morts/vies de notre Univers
Le modèle qui fait actuellement le consensus est celui du Big Bang – qui s'est
déroulé il y a 13,7 milliards d'années, c'est à dire une phase d'inflation
cosmique (dilatation très brutale de l'Univers) suivie d'une phase
d'expansion (dilatation de l'espace). Les dernières données du satellite
WMAP et les observations du fond diffus cosmologique (premiers photons
émis 380 000 après le Big Bang) ont tendance à confirmer l'hypothèse de
l'inflation.
Depuis 1998 l'on sait que l'expansion de l'Univers accélère, pour expliquer
cela l'énergie noire a été introduite ; il s'agit d'une force répulsive dont l'effet
est perceptible à grande échelle puisque l'on observe un éloignement des
grandes structures de l'Univers suite à la dilatation de l'espace entre elles.
Elle est a ne pas confondre avec la matière noire qui, elle, a une influence
gravitationnelle attractive et relies les amas de galaxies entre eux par des
filaments formant ainsi la toile cosmique. Elle serait également présente
dans les halos galactiques. Les constituants de l'énergie et de la matière noires
ne sont toujours pas connus.
Au cours de l'expansion, le champ de Higgs a pris une valeur non-nulle. Le
champ de Higgs et le champ associé au boson de Higgs dont l'existence a été
confirmée par le CERN en 2013 puis 2014. Le champ de Higgs permet à une
particule d'acquérir sa masse. Pour ce faire, la particule interagit avec le
champ de Higgs et, lors de cette interaction, un boson de Higgs est émis : ce
processus est décrit par le mécanisme de Higgs.
VI.
Mécanique quantique
La mécanique quantique permet de décrire l'état de systèmes physiques
microscopiques, typiquement les particules, avec des outils probabilistes et
statistiques. C'est en cela qu'elle s'oppose sur de nombreux points à la
physique classique et notamment avec la Relativité d'Einstein qui décrit
l'Univers à son échelle macroscopique de manière déterministe.
La physique théorique s'atèle donc à réconcilier physique quantique et
Relativité en proposant des théories visant à unifier les quatre interactions
fondamentales. En effet, la mécanique quantique décrit rigoureusement
l'interaction électromagnétique, l'interaction faible et l'interaction forte, mais
pas la gravitation qui est quant à elle décrite par la Relativité. Parmi ces
théories appelées « théories à gravité quantique », l'on trouve la théorie des
cordes et la théorie à gravité à boucles. Ces théories, si elles aboutissaient,
permettraient donc de décrire l'ère de Planck, cette époque suivant
directement le Big Bang où les quatre interactions étaient unifiées.
La mécanique quantique ne décrit pas les particules comme des objets
ponctuels mais comme des entités à la fois corpusculaire et ondulatoire.
Ainsi une particule est décrite par sa fonction d'onde, c'est à dire un outil
permettant de décrire l'ensemble de l'évolution et des états de la particule.
Une particule est donc décrit par ses états quantiques : énergie, spin, vitesse,
position...
La physique quantique a mis en lumière certains phénomènes atypiques
pouvant affecter les particules, notamment deux mécanismes :
• l'intrication quantique → deux particules intriquées S1 et S2 se
comportent comme un seul et unique système S = S1 + S2. Elles ne
peuvent pas être décrites séparément mais exclusivement comme un
seul et même tout. De fait, lorsqu'une mesure est effectuée sur S1 elle
est immédiatement répercutée sur S2. Ainsi si la mesure provoque le
choix d'un état A par S1, S2 choisira également le même état A.
L'intrication n'est pas soumise aux distances spatiales.
• la superposition → tant qu'une mesure n'est pas opérée sur une
particule, celle-ci demeure dans de multiples états quantiques
différents définis par une densité de probabilité. On a ainsi par ex.
coutume de dire qu'elle peut-être à « plusieurs endroits à la fois ».
VII.
Vocabulaire à maîtriser
Matière baryonique : matière « ordinaire », composée de baryons, composant
toutes les structures de l'Univers.
Matière non-baryonique : matière non-composée de baryons, matière dite
« exotique », telle que la matière noire.
Disque d'accrétion : disque de matière baryonique en rotation, généralement
aux alentours d'un corps massif (ex. trou noir).
Boson de jauge : boson médiateur/vecteur associé aux interactions décrites
par une théorie de jauge, typiquement les quatre interaction fondamentales.
Ainsi le photon, les bosons W+/W-/Z, le gluon et l'hypothétique graviton sont
des bosons de jauge.
Plasma : quatrième état de la matière, il s'agit de la forme ionisée d'un gaz,
nécessitant ainsi des conditions énergétiques et de température extrêmement
élevées. Le plasma est typiquement retrouvé dans les étoiles.
Rayons cosmiques : flux de particules ultra-énergétiques émis par certains
corps très actifs (ex. trous noirs, quasars, étoiles...).
Neutrino : particule élémentaire de la famille des fermions, il en existe trois
types (saveurs) : muonique, électronique et tauique. Les neutrinos
n'interagissent quasiment pas avec la matière ce qui rend leur détection très
complexe. Ce sont des particules encore très mal connues actuellement mais
dont l'importance est cruciale.
Espace-temps : trame mêlant trois dimensions spatiales (x, y et z) ainsi qu'une
dimension temporelle (t), il s'agit donc d'un continuum en quatre
dimensions. Sa nature ainsi que sa structure demeurent un sujet de
divergence entre relativité générale et physique quantique.
Expansion de l'Univers : phénomène produisant une dilatation de l'espace
dans toutes les directions. Seul l'espace est étiré, la matière elle n'est pas
affectée. Ainsi, si les structures astronomiques s'éloignent les unes des autres,
c'est uniquement car l'espace se dilate entre elles.