Entre l'infiniment grand et l'infiniment petit

On se situe à peu près à mi chemin entre l'infiniment petit : la distance de Planck, et l'infiniment grand : limite de l'Univers observable !

Distance de Planck : 10^-35 m.

Univers observable (rayon ) : 45x10⁹ al, soit 45x10⁹x10¹³ km = 45x10²¹ km = 45x10²⁴ m.

A méditer !

Les ondes gravitationnelles

Dans le modèle standard, la force gravitationnelle est l'une des quatre forces fondamentales. Son intensité est extrêmement faible (10^-39 plus faible que l'interaction forte !). Le graviton est la particule hypothétique associée aux ondes gravitationnelles (m = 0, spin = 2, v = 300 000 km/s). La détection des ondes gravitationnelles nécessite des instruments extrêmement précis : interféromètre de Michelson avec des bras très longs (4 km).

Les ondes gravitationnelles peuvent être générées par des événements majeurs : fusion de deux étoiles à neutrons, d'une étoile à neutrons et d'un trou noir, de deux trous noirs, effondrement de cœur d'étoiles massives, l'univers primordial.

Les premières ondes gravitationnelles ont été détectées le 14 septembre 2015. Il s'agissait de la fusion de deux trous noirs (29 et 32 MS) situés à 1,3 milliards d'années-lumière. Le trou noir résultant a une masse de 62 MS, les 3 MS manquantes ont été converties en ondes gravitationnelles.

L'ESA a pour projet de construire un interféromètre géant constitué de trois satellites formant un triangle équilatéral dont le centre suit l'orbite terrestre avec un retard de 20° sur la Terre et dont le plan est incliné de 60° par rapport au plan de l'écliptique.

Qu'il y avait-il avant ?

Les Grecs (ex : Epictète) pensaient que le Cosmos était infini et éternel, mais aussi immuable, la question ne se posait donc pas. C'était aussi la conception de Spinoza. Depuis, on a appris que l'univers n'est pas immuable qu'il a une histoire, une origine le Big Bang et peut-être même une fin. A la question qui avait-il avant le Big Bang, on peut envisager trois grands types de réponse. 1) le big bang fait suite à un big crunch lui-même faisant suite à une big bang .. succession de big bang et de big crunch. Cela rappelle la nature cyclique de l'Univers dans certaines cosmogonies (bouddhisme). 2) la question n'a pas de sens. Hawking. Dans certaines théories le temps n'est pas une propriété fondamentale, mais émergente Gravitation quantique à boucles. 3) avant il n'y avait rien. Mais là il faut définir le rien. Si rien = vide, on sait que le vide est en fait le siège de fluctuations quantiques. Si rien = néant, il faut expliquer la transition entre le néant et quelque chose (pourquoi qq plutôt que rien) soit par l'intervention d'un Dieu ou d'un principe créateur, soit par le plus grand des hasards. On retrouve les grandes oppositions hasard / nécessité, mystère / absurde.

Le rayonnement Gamma

 Le rayonnement gamma est le plus énergétique du spectre électromagnétique. Les rayons gamma sont excessivement  puissants et extrêmement dangereux,  ils sont fort heureusement absorbés par l'atmosphère terrestre. Ils se forment lors des phénomènes de fusion nucléaire ou de radioactivité. 

Les pulsars (étoiles à neutrons à rotation rapide) émettent des rayons gamma de façon continue et régulière. Il existe aussi des sources non continues et brèves (bouffées") : les GRB/SGR (sursaut gamma rapides) longs sont émis par les supernovae et hypernovae, les GRB/SGR courts sont émis par la coalescence d'objets massifs (trous noirs, étoiles à neutrons), les GRB/SGR non classés sont émis par les disques d'accrétion des tous noirs supermassifs.

Les trous noirs

Les tous noirs sont une conséquence de la Relativité : déformation de l'espace-temps par les masses, vitesse de la lumière limitée à 300 000 km/s. Dans certains cas, la déformation est tellement importante que les photons ne peuvent plus s'échapper (vitesse de libération > vitesse de la lumière).

On distingue quatre types de trous noirs : 

1° les trous noirs stellaires. Ils correspondent au stade ultime de fin vie des étoiles de masse supérieure à 6 fois celle du soleil.

2° les trous noirs supermassifs. Ils occupent le centre des galaxies. Ils sont beaucoup plus gros que les trous noirs stellaires.. Celui de la Voie Lactée a une masse de 4 millions de  MS (celui de M87 6,5 milliards de MS et un rayon de 130 UA !)

3° les trous noirs intermédiaires. Ils n'ont pas été mis en évidence à ce jour. Ils occuperaient le centre des amas globulaires et auraient des masses de quelques centaines à quelques milliers de MS.

4° les trous noirs primordiaux. Objets encore hypothétiques, ils se seraient formés juste après le Big Bang. Ils sont minuscules (milliardième de mm).

Le rayonnement de Hawking propose que les trous noirs peuvent s'évaporer par émission de particules virtuelles au voisinage de l'horizon des événements.

L'Univers et les galaxies

L'Univers est tout ce qui existe. Le nombre de galaxies, dans l'Univers observable, est estimé à 200 milliards. On distingue différents types de galaxies : les galaxies spirales (dont la Voie Lactée), les galaxies elliptiques, les galaxies irrégulières, les galaxies naines, les galaxies lenticulaires, les galaxies anneaux. Les galaxies sont organisées en amas, puis en superamas, puis encore en super superamas. La Voie Lactée fait partie du groupe local, du superamas de la Vierge et du super superamas Laniakea. A très grande échelle l'Univers présente une structure en nid d'abeille. 

L'Univers observable a un rayon de 46 milliards d'années-lumière. Au delà de cet horizon cosmologique c'est l'Univers non observable, on admet qu'il ressemble à l'Univers observable mais on en ignore sa dimension. L'Univers est fini et sans bord (ex: sphère) ; d'un point philosophique un univers infini n'est pas compatible avec un "big bang initial".

Les galaxies naines sont de loin les plus nombreuses environ 90 % . Les galaxies ont été classées par Hubble selon leur morphologie : elliptiques (E0 à E7), lenticulaires (S0), spirales (Sa, Sb, Sc) et spirales barrées (SBa, SBb, SBc). Les spirales représentent 61%, les lenticulaires 21%; les elliptiques 13%, les irrégulières 3,5% et les particulières 0,9%.

Les galaxies spirales sont dites jeunes car elles contiennent encore beaucoup de gaz et des étoiles continuent à se former. Les galaxies elliptiques sont dites vieilles car elles ne contiennent plus de de gaz et ne forment donc plus d'étoiles.

La grande conjonction

En cette fin d'année, lorsque le ciel est dégagé, on peut observer un phénomène rarissime : la grande conjonction de Jupiter et de Saturne. La précédente a eu lieu en juillet 1623! Les deux planètes se rapprochent de jour en jour et apparaitront confondues le 21 décembre. On peut les voir facilement à l'œil nu à la tombée de la nuit en direction du sud-ouest à environ 30° au dessus de l'horizon. Ce sont les deux petits points blancs que l'on aperçoit sur la photo en bas vers la droite, Jupiter le plus gros et juste au-dessus Saturne, avec en prime un magnifique clair de Lune.

Triel - le 17 décembre 2020 à 18h21

La Relativité

On doit à Albert Einstein deux théories majeures qui ont bouleversé la physique et notre compréhension de l'Univers : la Relativité restreinte en 1905 et la Relativité générale en 1915. Mais c'est pour une autre découverte, l'effet photoélectrique, qu'il reçut le prix Nobel de physique en 1921. Dans la Relativité restreinte il n'y a plus de temps absolu. La vitesse de la lumière est constante. Dans la Relativité générale, la présence d'une masse courbe l'espace-temps. La Relativité a permis d'expliquer la précession de la périhélie de Mercure, de prédire les lentilles gravitationnelles, les trous noirs, les ondes gravitationnelles.

Les étoiles

Les étoiles se forment à partir de gigantesques nuages de gaz d'hydrogène et d'hélium présents dans la galaxie. En se contractant le gaz s'échauffe et s'effondre jusqu'à atteindre 15 millions °K température nécessaire à la fusion de l'hydrogène. 

Une fois née, l'évolution de l'étoile va dépendre de sa masse. Les étoiles sont classées dans le diagramme d'Hertzsprung-Russel en fonction de leur luminosité et de de leur température de surface. Les géantes bleues, les plus massives, sont les plus chaudes et les plus lumineuses à l'inverse, les naines rouges, les moins massives, sont peu lumineuses et plus froides. Le soleil est une étoile "moyenne" dont la température de surface est de 5800 °K. Les géantes bleues sont rares car elles ont une durée de vie relativement courte (de l'ordre du million d'années) ; les naines rouges sont très abondantes, elles ont une durée de vie très longue (jusqu'à 20 milliards d'années !) ; le soleil a une durée de vie de 10 milliards d'années. La durée de vie des étoiles est gouvernée par sa loi de Stefan L=σST⁴ ( L : luminosé, S : surface, T  : température).

En fin de vie, les étoiles passent par le stade de géante rouge avant de finir, selon leur taille, en nébuleuse planétaire et naines blanches (pour les étoiles < 6 fois le soleil), en supernovæ puis en étoile à neutrons (voire en étoile à quarks) ou trou noir stellaires (pour les étoiles > 6 fois le soleil). Les naines blanches ont une taille similaire à la terre, les étoiles à neutrons de l'ordre de 10 km, et les trous noirs stellaires quelques km.

La Voie Lactée

La Voie Lactée est une galaxie de type spirale barrée ; elle a la forme d'un disque aplati, de 100 000 al de diamètre, renflé en son centre. Le disque est constitué de 6 bras principaux, le bulbe central contient une barre d'étoiles et un trou noir supermassif. L'épaisseur de la Voie Lactée est de 1000 al au niveau du disque et de 10 000 al au niveau du bulbe. Elle contient 200 milliards d'étoiles qui tournent autour de son centre, le soleil est à 26 000 al du centre et fait un tour complet en 220 millions d'années.

Les amas globulaires sont essentiellement présents dans le halo qui entoure la Voie Lactée, ils regroupent des étoiles vieilles (> 10 milliards d'années). 

A l'inverse, les amas ouverts sont situés dans les bras galactiques et ne contiennent que des étoiles très jeunes. 

Les nébuleuses gazeuses sont de gigantesques nuages d'Hydrogène et d'Hélium ce sont, en quelque sorte, des nurseries où naissent les étoiles. 

Les nébuleuses obscures sont constituées de poussières qui masquent les autres objets. 

Les nébuleuses planétaires sont les restes d'étoiles de taille similaire au soleil. 

Les supernovæ sont relativement rares et résultent de l'explosion en fin de vie de grosses étoiles, après l'explosion les restes (rémanents) se refroidissent progressivement et disparaissent.

Les exoplanètes sont probablement très abondantes ; en effet, une étoile sur deux posséderait un système planétaire avec au mois une planète en zone habitable.

Les exoplanètes

L'exoplanète (51 Pegasi b) a été découverte en 1995 par une équipe suisse, Didier Queloz et Michel Mayor, par la méthode des vitesses radiales. Aujourd'hui on en recense plus de 4000. Le télescope spatial Képler est entièrement dédié à la recherche d'exoplanètes ; il en a détecté 2600 entre 2009 et 2018. Quelques exoplanètes présentent des caractéristiques proches de celles de la Terre et pourraient donc abriter une forme de vie. L'indice de similarité (IST) a été défini en prenant en compte la densité, le rayon, la vitesse de libération et la température de surface ; la Terre a un IST de 1 et Mars de 0,66. Les exoplanètes les plus favorables à la vie sont, à ce jour, Gliese 581 g (IST = 0,92) et Gliese 667C c (IST =0,85) ; le système Gliese 667C est distant de 22 al. La prochaine étape sera de détecter une éventuelle atmosphère et sa nature (analyse spectroscopique).

Le système solaire et les planètes

Le système solaire comprend par ordre d'éloignement par rapport au soleil : 

• les planètes telluriques (Mercure, Vénus, la Terre, Mars), 
• la ceinture principale d'astéroïdes, 
• les planètes géantes gazeuses (Jupiter, Saturne, Uranus, Neptune), 
• la ceinture de Kuiper (comètes, planètes naines),
• le nuage d'Oort (comètes),

Les comètes sont constituées d'un mélange de roche et de glace. Elles ont des orbites très elliptiques et perdent environ 1% de leur masse à chaque passage près du soleil.

Les planètes naines sont actuellement au nombre de 6 dont Pluton, la plus connue. Elles sont situées dans la ceinture de Kuiper à l'exception de Cérès située dans la ceinture d'astéroïdes.

Les planètes :

• Mercure (Hermès),  
• Vénus (Aphrodite). Vénus a la particularité d'avoir une rotation rétrograde et très lente (243 j terrestres !). Sa température très élevée et son atmosphère épaisse et corrosive la rendent impropre à abriter la vie.
• la Terre (Gaïa),
• Mars (Arès) : Mars est nettement plus petite que la Terre, elle possède une atmosphère ténue de CO2.
• Jupiter (Zeus) : Jupiter est la plus grande des planètes de notre système solaire. 
• Saturne (Cronos) : Saturne possède un système complexe d'anneaux constitués de milliards de billes de glace de quelques centimètres à quelques mètres. Ils ont un diamètre de 300 000 km pour une épaisseur d'une dizaine de mètre seulement !
• Uranus (Ouranos) : Uranus a la particularité d'avoir un axe de rotation très incliné, on dit qu'elle "roule" sur son orbite. 
• Neptune (Poséidon).

Toutes les planètes géantes possèdent des anneaux à l'instar de Saturne.

Le principe anthropique (ébauche)

Le principe anthropique tente d'expliquer notre présence : pourquoi sommes-nous là ?

Selon le principe anthropique faible, nous sommes là tout simplement parce que les conditions de la vie sont réunies sur la terre (et peut-être aussi ailleurs). C'est donc une question de hasard.

Pour le principe anthropique fort, au contraire, l'existence de la vie est l'aboutissement normal de l'évolution du cosmos. D'un côté c'est le hasard, d'un autre côté c'est la nécessité.