L’Astronomie et la physique fondamentale

Martin GIARD, CESR-CNRS

Utiliser l’Univers comme un laboratoire pour établir/vérifier les lois de la physique

- Le Big Bang et l’unification des 4 forces

Variation des constantes Universelles ?

- Le Big Bang, les 4 forces et la mécanique quantique

La Grande Unification: Théories des cordes et des membranes, et inflation

- Les trous noirs

Vérification de la relativité générale

-Les ondes gravitationelles

=> Invention de l’astronomie non « photonique »

Les fondements de la physique:

La mécanique :

Conservation de l’énergie

mf

La relativité générale (= mécanique classique)

La mécanique quantique H

dt

d

Les 4 interactions :

Gravitation Electromagnétisme Nucléaire faible Nucléaire forte

2d

mGmf

20

d

qqf

?f

?f

La Grande Unification « GUT » :

Mécanique quantique + Relativité générale

Unification des 4 forces :

électromagnétique nucléaire faiblenucléaire fortegravitation

Une théorie physique qui pourrait être validée au cours du XXIième siècle.

L’ingrédient de base des « GUT » :

Les cordes cosmiques dans un Univers à 10 ou 11 dimensions dont 6 à 7 sont « compactées »

Cf article de Pierre Ramond dans le N°300 de « Pour La Science »

Les effets des GUTs :

E > 1018 GeV (unification des 4 interactions)

Le Big-Bang => observation des fluctuations primordiales MAP, PLANCK etc …

La gravitation change à petite échelle :

Expériences de microgravité, MICROSCOPE au CNES, STEP à l’ESA

Les lois de la physique changent avec l’énergie de l’Univers

Mesure de la variation de la constante de structure fine à grand z

L’Inflation:

Expliquer Le Big Bang avec les GUT à E > 1018 GeV

Graves

Grands motifs

Aiguës

Petits motifs

Microgravité en apesenteur : satellites Hyper (Europe) et Microscope (France)

=> Mesurer les variations de G aux échelles < 1 mm

« Corde de matière »

Attraction en 1/r2 à grande distance, Loi différente à petite échelle

Notre

Univers

Variation de la constante de structure fine, avec l’age de l’Univers,

Mesure des fréquences des raies d’absorption des ions dans des bulles de gaz ionisées en direction de quasars lointains (1010 années lumière)

MgI, MgII, AlII, AlIII, SiII, CrII, FeII, NiII, ZnII

hc

e2

MgI, etc …

QuasarObservateur

Résultat positif en 2001 !

Murphy et al. 2001, MNRAS 327, 1208 :

Télescope US Keck de 10 mètre à Hawaï

= (-7,2 +- 1,8 ) 10-6

Les télescope Keck à Hawaï (fondation Caltech)

Les télescope Keck à Hawaï (fondation Caltech)

Résultat positif en 2001 !

Murphy et al. 2001, MNRAS 327, 1208 :

Télescope US Keck de 10 mètre à Hawaï

= (-7,2 +- 1,8 ) 10-6

Résultat négatif en 2004 !

Quast et al 2004, A&A 415, L7 :

Télescope Européen de 10 mètre au Chili

= (0,1 +- 1,7 ) 10-6

Les télescopes de 8 mètres de l’observatoire Européen ESO au Chili

Les télescopes de 8 mètres de l’observatoire Européen ESO au Chili

Résultat démenti par les télescopes Européens de l’ESO !

L’astronomie des 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

LISA : le futur Observatoire spatial Européen à ondes de gravitation

Principe:

Interféromètrie laser entre trois satellites en triangle

Mesure des distances sur 5 million de km avec une précision meilleure que l’Angström !

Possibilité de mesurer des variations de la métrique de l’ordre de 10-20 mètres

LISA : le futur Observatoire spatial Européen à ondes de gravitation

Objets astrophysiques observables avec LISA

Les étoiles denses et trous noirs binaires qui « collapsent »

On sait que le centre de chaque Galaxie contient un ou plusieurs trous noirs !

Au centre de la Voie Lactée :Un trou noir géant dont la masse est

5 millions de fois celle du Soleil !

Résultat des VLT Européens.

Simulation des ondes de gravitation émises deux trous noirs qui tombent l’un sur l’autre :

Objets astrophysiques observables avec LISA

Les étoiles denses et trous noirs binaires qui « collapsent »

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 :