1-1 définition de l’univers
l'univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent. En cosmologie science ayant pour objectif de comprendre sa naissance et son évolution et de comprendre sa structure telle qu'on l'observe. L'univers est appréhendé comme l'ensemble de la matière(énergie étant une forme de matière selon la fameuse équation E=mC²) distribuée dans le temps et dans l'espace.
Pour approcher l'univers, l'astronomie se base sur l'étude de la lumière qui provient du ciel. En effet la majeure partie de l'information dont les astronomes disposent a été obtenue par l'analyse de la lumière provenant des objets célestes dont il est impossible d'atteindre vu les distances énormes à lesquelles ils se trouvent. Les unités utilisées pour les distances sont :l'unité astronomique(u.a)égale à la distance parcourue par la lumière en une année soit 10 milles milliards de km et le parsec(pc) égal à 33 al.
Les unités des distances astronomiques
Une unité astronomique : distance en m : 1.5.1011 , distance en u .a : 1 ; distance en a.l : 1.6.10-4 ;distance en pc 4.9.10-6 .
Une année de lumière : distance en m : 9.46.1015 , distance en u .a : 6 .3.104 ; distance en a.l :1 ; distance en pc 0,31.
Un parsec : distance en m : 3.09.1016 , distance en u .a : 2 .06.105 ; distance en a.l :3,26 ; distance en pc 1
1-2 la lumière source d’information
La lumière est un phénomène vibratoire et corpusculaire. Quand elle se déplace ,elle se comporte comme une onde avec une célérité constante égale dans le vide à 3.108m/s2, alors que quand elle agit sur la matière elle se comporte comme une particule appelée photon. La lumière blanche constitue une partie du spectre électromagnétique qui regroupe toutes les catégories de lumière. Les différentes régions du spectre se caractérisent par des longueurs d’ondes, mais aussi par leur fréquence. L’œil humain n’est sensible à la lumière que dans l’intervalle de longueurs d’ondes compris entre 400nm et 700 nm. Les autres longueurs correspondent à d’autres lumières mais invisibles.
Les lois de kirchoff (1860) établissent que :
-Tout objet (solide, liquide ou gazeux) chaud émet un spectre continu de lumière
-un gaz chaud mais raréfié(peu dense)montre un fond noir avec de lignes spectrales éclairées dites lignes démission.
-un gaz froid voilant un objet chaud conduit à l’apparition dans le spectre continu émis par ce corps , des lignes sombres dites d’absorption.
1-2-2 Spectre d’émission et spectre d’absorption
Les atomes d’un élément chimique donné sont caractérisées par un spectre d’absorption et un spectre d’émission .Le spectre d’absorption atomique d’un élément chimique est le spectre continu de la lumière blanche qui lui manque. Les raies correspondant aux radiations absorbées par les atomes de cet élément .Le spectre d’un élément chimique correspond à des raies brillantes qui occupent les mêmes places que celles absorbées par le même éléments ‘il était froid. Le spectre d’émission ou d’absorption constitue la carte d’identité de l’élément chimique considéré.
1-3 Composition, structure et dynamique de l’univers
1-3-1 Composition
Les briques élémentaires
Pour la physique de l’infiniment petit, l’univers est un monde peuplé de particules organisées à l’aide d’interactions selon des structures régies par des lois. D’après le modèle standard de la physique des particules qui explique ce monde. La matière est constituée par douze briques élémentaires, six quarks(dont deux constituent les protons et les neutrons au cœur des atomes, un électron un nuion un tau et trois neutrinus de masses diverses
Les interactions fondamentales
Ces briques échangent entre elles sans masses(énergie leur permettant ainsi de s’organiser en structures allant de l’atome à l’univers. Il s’agit de photons de huit sortes de gluons et des bossons w et z. Ces particules véhiculent les quatre formes fondamentales qui gouvernent la structure et la dynamique de la matière de l’univers :les forces moléculaires forte et faible, la force électromagnétique et la force d’attraction gravitationnelle ;
L’interaction forte assure la cohésion des noyaux et est véhiculée par les gluons ;La force électromagnétique est véhiculée par les photons. C’est elle qui lie par exemple les électrons aux noyaux atomiques. La force faible est portée par trois particules w- w- et z .Elle permet entre autres au soleil de briller en convertissant son hydrogène en hélium ;La quatrième intervention est la gravitation. Elle n’a aucun effet à l’échelle des particules élémentaires. Les physiciens lui associent une particule, le gravion qui n’a pas encore été observé
Le boson de Higgs
N particule de matière, n particule de force, le boson de Higgs est une particule hypothétique qui conférerait leur masse aux particules massives. L’un des objectifs de l’accélérateur de particules LPC (large hadron collider) est de mettre en évidence expérimentalement l’existence de cette particule. Toute la matière qui nous entoure est engendrée par une seule famille qui comprend les particules stables :les quarks et le neutron électronique ;Les autres particules sont instables.
La matière s’organise en des structures diverses dans l’univers :atomes ,molécules, cellules, êtres vivants, roches planètes, ,étoiles nébuleuses(nuages de gaz et de poussières) etc… ;;Les corps qui nous intéressent dans cette partie sont essentiellement, la planète, l’étoile et les structures qui les associent.
Planète
Selon la dernière définition de l’union astronomique international (U A I)une planète est un corps céleste
-qui est en orbite autour du soleil
-qui possède une masse suffisante pour que sa gravité l’emporte sur les forces de cohésion du corps solide et le maintienne en équilibre hydrostatique(forme sphérique)
-qui a éliminé tout corps se déplaçant sur une orbite proche
Par extension tout astre répondant à ces critères et gravitant autour d’une autre étoile que le soleil est qualifié d’exo-planète.
Etoile
Une étoile est un astre sphérique de gaz très chaud et lumineux qui puise son énergie dans la réaction de fusion thermonucléaire qui se produit dans le cœur soumis à une température et une pression énormes ;La fusion dégage une énergie colossale qui chauffe l’étoile jusqu’à sa surface ;La lumière intense qui rend l’étoile visible est émise par sa surface à plusieurs milliers de degrés. Les étoiles naissent, évoluent et meurent.
Galaxie
Les galaxies sont des vastes ensemble d’étoiles et de nuages de gaz et poussières (nébuleuses) ;Ces structures constituent les briques élémentaires avec lesquelles l’univers est bâti. Trois galaxies sur dix se présentent sous forment elliptique. Six sur dix y compris la notre ont la forme d’un disque aplatie décoré par des jolies bras spiraux ;Une seule sur dix est sans forme particulière
La voie lactée
Il nous est impossible d’observer de l’extérieur la galaxie à laquelle nous appartenons ;Seule l’étude d’autres galaxies nous a permis de comprendre que ces étoiles sont distribuées en majorité dans un disque assez plat. Le mouvement de rotation qui l’anime comme les autres galaxies lui fait prendre une forme en spirale avec des larges bras se déployant autour d’un bulbe central ovale et dense ;Les bras rassemblent les nébuleuses au sein desquelles se forment les étoiles ;Notre galaxie, la voie lactée contient deux cents milliards d’étoiles et mesure cent milles années-lumière de diamètre. Elle est entourée d’un halo galactique formé de gaz et de poussière d’étoiles isolées et d’autres globulaires.
1-3-2 Structure de l’univers
La répartition des galaxies n’est pas aléatoire ;Elles s’organisent en petits ensembles d’une vingtaine d’éléments dits amas. Notre amas et dit groupe local .Ces ensembles eux-mêmes s’associent en d’autres ensembles plus grands appelés superamas. Amas et superamas forment des gigantesques murs et filaments qui circonscrivent de vastes régions quasiment vides et glaciales (3 k).En effet et paradoxalement , malgré le nombre gigantesque d’astres qu’il contient des centaines de milliards de galaxies
Comptant chacune des centaines de milliards d’étoiles. L’univers est essentiellement vide : l’espace compte en moyenne un atome par mètre cube seulement ce qui représente une densité de l’ordre de 10-30.
1 3-3 dynamique de l’univers
Jusqu’aux années 1920 personne n’ose concevoir l’univers autrement qu’un monde limité en taille et immobile. Une conception apparemment confirmée par ce que l’on connait alors du cosmos ; La seule voie lactée
Expansion de l’univers en observant les rayonnements émis par les galaxies à différentes longueurs d’onde.et qui sont caractéristiques des éléments chimiques qui le composent. Edwin Hubble(1929) a déterminé non seulement le mouvement et les vitesses des galaxies proches mais aussi leurs distances. Il en a tiré deux conclusions :il a montré que ces galaxies étaient tellement lointaines qu’elles devaient bien être des ensembles indépendants d’étoiles similaires à notre propre galaxie et il a découvert une relation simple entre la distance des galaxies D et leur distance. La constante de proportionnalité se nomme la constante de Hubble. Une galaxie deux fois éloignée qu’une autre par exemple s’éloigne deux fois plus vite. Cette relation porte le nom de loi de Hubble :V=HD
Il est exλprimé en km/SMpc
Si on prend H=70km/s/Mpc cela signifie qu’une galaxie qui se trouve à 100Mpc de nous s’éloigne de nous à la vitesse de l’ordre de 70km/s.
L’argument physique qui a permis à Hubble de mettre en évidence le mouvement de faite des galaxies est le fait que les spectres des galaxies présentent des raies d’absorption décalées vers le rouge ;Le décalage vers le rouge est interprété à l’aide de l’effet Doppler(1842) qui énonce que la fréquence d’une onde dépend de la vitesse relative de la source par rapport à l’observateur ;Si une source se déplace vers l’observateur, la longueur d’onde diminue alors que si elle s’en éloigne, elle augmente ;L’équation de l’effet Doppler est :
(λ-λ0)/ λ0=V/V0 avec λ la longueur d’onde observée λ0 celle de l’onde pour un corps au repos, V la vitesse de l’objet émetteur et V0 la vitesse de l’onde.
Et puisque la lumière émise par les étoiles a une nature ondulatoire, elle est par conséquent affectée par l’effet Doppler si sa source est en mouvement ; Pour la lumière issue des galaxies l’équation précédente devient (λ-λ0)/ λ0=V/c avec c est donc la vitesse de la lumière.
On admet que ce ne sont pas les galaxies qui se déplacent mais l’espace entre elles qui se dilate. Autrement dit l’univers enfle on parle de l’univers en expansion .Dans le cadre de la relativité générale, le décalage vers le rouge ne résulte pas de la vitesse de fuite propre des galaxies mais de l’expansion de l’espace qui les porte. Puisque alors l’univers enfle, il suffit donc d’imaginer l’événement à l’envers ; l’univers ne gonfle plus, il se contracte de plus en plus jusqu’à sa disparition. Cette intuition est la source de la théorie du big bang .Selon cette théorie, l’univers primordial (l’actuel infiniment contracté) était extrêmement chaud et dense. Il aurait commencé son existence par une énorme explosion. Cette explosion aurait marqué le début d’une expansion qui continue jusqu’à maintenant.
Le taux d’expansion de l’univers
C’est la constante H qui détermine le rythme de l’expansion et qui nous permet également de calculer le temps qui nous sépare du big bang soit l’âge de l’univers.En effet ,on peut constater facilement que l’inverse de H est une grandeur homogène à un temps ;En prenant V=HD et D=Vt on obtient H=1/t d’où t=1/H ;Pour H=70km/s/Mpc. t=13 ;5 ;109 années soit environ 13 milliards d’années.
La théorie du big bang suppose que sous l’effet de la gravitation. Cette expansion doit ralentir : en s’attirant les unes des autres, les masses présentent dans l’univers ne peuvent que contrecarrer son expansion. Or en 1998deux équipes ont découvert indépendamment que l’expansion de l’univers s’accélère depuis 5à6 milliards d’année. Cette découverte confirme d’après les astrophysiciens qu’à l’échelle de l-univers la gravitation n’est pas attractive mais répulsive. Et pour prendre en compte cette nouvelle donnée, ils ont inventé une nouvelle forme d’énergie responsable de cette accélération et l’ont appelé l’énergie sombre.
La dynamique interne des galaxies
Quand les astronomes établissent les courbes de rotation des galaxies spirales, des courbes qui décrivent la vitesse à laquelle les étoiles se déplacent à mesure qu’on s’éloigne du centre de la galaxie, il observe un phénomène à priori paradoxal pour toutes les galaxies observées la vitesse ne diminue pas à grande distance du centre comme l’a prédit Nwton ; Les étoiles devraient en effet tourner de moins en moins vite à mesure qu’en s’éloigne vers la périphérie de la galaxie. Or ce n’est pas le cas. Comme si de la matière invisible existe pour maintenir les étoiles périphériques en orbite autour du centre galactique et les empêche d’être expulser dans l’espace. C’est de ces observations qu’est née la notion de matière noire matière qui n’émet pas de lumière mais se manifeste uniquement par son effet gravitationnel.
Pour conclure, l’univers que nous connaissons aujourd’hui est peuplé de matière et d’énergie que baigne un vide plein d’énergie .Nous ne connaissons directement par la lumière qu’elle émet que quelques pourcents de la matière de l’univers ; La matière ordinaire (proton, neutron et électron) ne représente que 5% de la masse totale de l’univers. Le reste de cette matière s’exprime par son effet gravitationnel et sa nature est sujet de spéculations .Elle représente 25%de la masse de l’univers. L’énergie sombre responsable de l’accélération de l’expansion représente les 70% restant de la masse.