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L’Astronomie: Observer l’Univers
Martin GIARD, CESR-CNRS
Les 4 piliers du Big Bang:
L’expansion de l’Univers
Le rayonnement fossile
Les abondances de H, He, D
La formation des galaxies et des amas de galaxies
L’expansion de l’Univers
Le rayonnement fossile
La formation des galaxies et des amas de galaxies
Les abondances de H, He, D
-270,4252° -270,4248°
océans continents
5° 25° -55° 35°
ciel
La représentation du ciel = Projection d’une sphère
vue de l’intérieur
La représentation de la Terre = Projection d’une sphère
vue de l’extérieur
Ciel visible un soir d’été
La Voie Lactée = Notre Galaxie:La Voie Lactée = Notre Galaxie:
Ciel visible
Poussières noires dans la Voie Lactée :Poussières noires dans la Voie Lactée :
La voie Lactée Infrarouge :La voie Lactée Infrarouge :
La Galaxie NCG 891
Observer l’Univers grâce à la détection :
- Des photons: 99 % de l’astronomie
- Des rayons cosmiques: marginal, car déviés par les champs magnétiques interstellaires (projet HESS)
- Des ondes de gravitation: > 2010, projets VIRGO (sol) et LISA (espace)
Les méthodes de l’astronomie:
L’astronomie Photonique
Le Rayonnement Cosmique
Les Ondes de Gravitation
L’astronomie Photonique
Photon (i.e. onde électromagnétique)=> transporte la force entre les charges électriques (en général les électrons)
e-
V
Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur
e-Charges en mouvement dans le détecteur
Photon
I: Courant électrique
T: Chauffage par effet Joule
L’astronomie de Ondes de Gravitation
Graviton (i.e. onde de gravitation)=> transporte la force entre les masses (la matière !)
m
V
Masses en mouvement dans l’objet observé graviton
Mise en mouvement de masses tests
m1
m2
Mesure de leur distance par interférométrie laser
Les sciences de l’instrumentation photonique:
- Collecteur de photons : Optique
- Détecteur : Physique du solide
- Amplificateur : Electronique filtres & conversion numérique
- Traitements numériques : Mathématiques Appliquées
Astronomie photonique, principe de base
- Loi du retour inverse:
Si les photons suivent un chemin, ils peuvent aussi suivre le chemin inverse en subissant les
phénomènes opposés
Absorption => Emission
Emission => Absorption
Le retour inverse:
e-
V
Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur
e-Charges en mouvement dans le détecteur
Photon
I: Courant électrique
T: Chauffage par effet Joule
Le retour inverse:
e-
V
Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur
e-Charges en mouvement dans le détecteur
Photon
I: Courant électrique
T: Chauffage
Emissions
Absorption
Le retour inverse:
e-
V
Charges en mouvement dans l’objet observé Colimateur
e-Charges en mouvement dans le détecteur
Photon
I: Courant électrique
T: Chauffage par effet Joule
Emission
Absorption
Conséquence du retour inverse : La loi de Kirchoff
Absorptivité = Emissivité
Qabs =
Absorption :
I (Wm-2sr-1)
Qabs= P(T)Température = T
Loi du corps noir
Qabs IQabs=
Emission :
« Visible » « Infrarouge »
Les corps qui interragissent bien avec le rayonnement:
Ceux qui ont des électrons mobiles
Les métaux :
électrons libres => bons réflecteurs, peu émissifs
Les plasmas = Gaz complètement ionisé :
=> Diffuseur parfait, opacité aux ondes radio
Les solides :
Électrons de conduction + effet Joule
=> Absorbants, et émetteurs (si Température)
Poussières noires dans la Voie Lactée : Poussières noires dans la Voie Lactée : absorbantabsorbant
Visible
Poussières noires dans la Voie Lactée : Poussières noires dans la Voie Lactée : émetteurémetteur
Infrarouge
Les couleurs des photons:Les couleurs des photons:
(Hertz) = fréquence d’oscillation des charges électrique qui (Hertz) = fréquence d’oscillation des charges électrique qui émettent ou absorbentémettent ou absorbent
(Mètre) = Longueur d’onde = (Mètre) = Longueur d’onde = / c / c
E (Joule / ou eV) = Energie = h E (Joule / ou eV) = Energie = h / c 1 eV = 1,6 e-19 Joule / c 1 eV = 1,6 e-19 Joule
radio
Maximum d’émission du corps noir
Energie (eV)
T (° K)
infrarouge
visible
UVrayons X
rayons gamma
radio
Energie (eV)
infrarouge
visible
UVrayons X
rayons gamma
Le ciel Radio:
= 21 cm:
Émission de l’hydrogène atomique
= 2,6 mm:
Émission du monoxyde de carbonne
Le ciel Infrarouge
= 0.24 mm
Émission des poussières
= 3,3 µm:
Émission des molécules organiques
Le ciel infrarouge
= 3,5 µm
Émission des étoiles
Le ciel visible
= 0,5 µm:
Émission des étoiles absorbée par les poussières
Le ciel X
= 750 eV
Émission du gaz très chaud (reste d’une Supernova)
= 30 keV
Émission des objets compacts binaires: étoiles à neutron et trous noirs
Le ciel gamma
= 511 keV
Anihilation des électrons / positrons
> 100 MeV
Collisions entres les rayons cosmiques galactiques et le gaz interstellaire
= 0,24 mm
poussières
Le ciel Infrarouge
= 0.24 mm
Émission des poussières
= 3,3 µm:
Émission des molécules organiques
C’est en comparant les longueurs d’onde que l’on comprend l’Univers
Nébuleuse d’Orion : étoiles jeunes dans un halo
Carte du gaz interstellaire
Conclusion => le gaz s’assemble en étoiles
Photons cosmologiques :
T = 2,73 K
Univers neutre
Univers ionisé
Surface de dernière diffusionLa Galaxie
Big bang
Structuration de l’Univers
Distance (années lumière) 100 1000 000 000 15 000 000 000
z = 0 1 10 1000
Le projet PLANCK:
Cartographier le rayonnement fossile avec une précision de 0.000 001 K
Herschel : un observatoire submillimétrique spatial de 3,5 mètres
Planck : Une sonde thermique ultra-sensible pour cartographier le résidu du « Big-Bang »
Un besoin commun : S’éloigner à 1 500 000 km de la terre pour bénéficier d’un environnement « propre ».
650 000 000 Euros !
Plus de 500 chercheurs dans environ 150 instituts de recherche d’Europe et d’Amérique du Nord
Une collaboration internationale sous maîtrise d’œuvre de l’ASE, en collaboration avec la NASA
Herschel et Planck: Lancement en 2007 avec
Ariane 5
CMB :T = 2,73 K
Univers ionisé
Univers neutre
D = 102 pc 109 pc 5 109 pc
Surface de dernière diffusion
Big bang
Planck Surveyor: « une Affaire de Températures »
Poussières ds les galaxiesT = 30 à 100 K
Effet S.Z. par les électrons chauds :
T = 100 000 000 K
La Galaxie
Poussières ds notre GalaxieT = 10 à 30 K
Télescope: 60 K détecteurs : 0,1 K
- 230 °C
- 190 °C 15 °C
40 °C
Lumière du Soleil
Le satellite PLANCK
Mission Planck : Responsabilité ASE
Alcatel : Principal Contractant Industriel responsable du satellite
HFI = Récepteur hautes fréquences.France (PI), USA, GB, Italie, Allemagne, Canada, …
LFI = Récepteur basses fréquences.Italie (PI), USA, GB, Allemagne, Finlande, …
Télescope de 1,5 mètres : Danemark
Découpage des tâches
dans la construction de la chaîne
des récepteurs bolométriques:
RAL, GB
JPL, USA
IAS-Orsay, Fr
CESR-Tlse, Fr
LAL-Orsay, Fr
Air Liquide, Fr
Univ. Rome, It
QMW, GB
Cal Tech, USA
L’instrument HFIPlan
Focal 0.1 K
Module de Service 300K
18 K
50 K80 K
140 K
Photon / radiation
absorbant thermomètre
Thermomètres
Fonctionnement du bolomètre en équations
Résistance 10 M
à mesurer à 10-6 près
(µK / K)
PLANCK : 9 bandes de fréquence entre 30 et 850 GHz
Permet de séparer les différentes sources de rayonnement
Les gaz et les poussières dans la Voie Lactée
Les galaxies dans l’Univers
Le rayonnement fossile du Big-Bang
Ciel Micro-onde attendu
-270,4252° -270,4248°
Ciel Micro-onde sans le dipole cosmologique
Le rayonnement fossile du Big-Bang
Graves
Grands motifs
Aiguës
Petits motifs
Methode Scientifique: Mesure et Théorie : Methode Scientifique: Mesure et Théorie : un peu de philosophie scientifique…un peu de philosophie scientifique…
- Qu’est ce que la méthode scientifique ?
- Qu’est ce qu‘une bonne théorie ?
Principe: Les mêmes causes produisent les mêmes effets
=> On peut faire des expériences reproductibles
1/ Une théorie qui explique des observations variées et compliquées à partir de quelques principes simples
2/ Une théorie qui est capable de faire des prédictions
- Exemple d’une bonne théorie :
La loi de la gravitation de Newton:
- Explique la chute des pommes et le mouvement de la Lune !
- Permet de calculer la quantité de carburant à mettre dans les fusées et de les piloter.
-En 1846 Le Verrier prédit l’existence d’une 10 ième planète à partir des mouvements d’Uranus
=> J. Galle découvre Neptune 5 jours plus tard
2D
MGMF
- Exemple d’une mauvaise théorie :
Les « Petits hommes verts »
- Bon : un principe simple qui explique des observations très différentes: les OVNIs, les champs de maïs coupés, les vaches affolées, etc ….
- Mauvais : n’a jamais permis de prédire l’apparition d’un OVNI
Sites WEB à visiter:
http://www.astro.ucla.edu/~wright/cosmolog.htm
http://www.damtp.cam.ac.uk/user/gr/public/cos_home.html
Ned Wright :
Cambridge University (UK) :
http://background.uchicago.edu/~whu/beginners/introduction.html
Waine Hu :
http://www.hep.upenn.edu/~max/index.html
Max Tegmark :
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