Evolution de l Univers évolution de nos idées sur l Univers La naissance de l astrophysique.

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1 Evolution de l Univers évolution de nos idées sur l Univers La naissance de l astrophysique 1. La nature des astres et de la matière «céleste»: Antiquité - Renaissance 2. Les taches solaires 3. L analyse spectrale - naissance de l astrophysique 4. La matière de l Univers 5. Quelques autres applications Classification des étoiles Voir l invisible: planètes hors du système solaire, «matière noire» L expansion de l Univers Gilles Theureau, LPC2E Orléans Karl-Ludwig Klein, Observatoire de Meudon, ludwig.klein@obspm.fr,

2 Astronomie - astrophysique Depuis l antiquité : recherches sur la nature des mouvements des astres («astronomie») Comment interpréter les mouvements observés en projection sur la sphère céleste: modèles géocentrique / héliocentrique Comment comprendre ces mouvements: dynamique, puis (depuis le 17ème siècle) gravitation (combinaison physique et astronomie) Pas d autres moyens de comprendre la nature des astres que la spéculation. Depuis le 19ème siècle: moyens observationnels pour des recherches sur la nature des astres («astrophysique») 2

3 La nature des astres et de la matière «céleste» Evolution des idées de l antiquité grecque à la Renaissance

4 La nature du Soleil et des étoiles (antiquité grecque) Anaxagore (5 ème siècle av JC): Soleil = rocher incandescent Aristote (4 ème siècle av JC) : les corps célestes ne sont pas constitués des 4 éléments terrestres (terre, eau, air, feu); matière céleste : «éther», «quintessence» (nom donné après Aristote); correspondance corps - type de mouvement (4 éléments - m vts rectilignes; «éther» - m vt circulaire). Principes philosophiques sans lien avec l observation. Voir discussion Galilée, Dialogo, pour une critique de cette approche. Pas d analyse plus approfondie dans l antiquité grecque. 4

5 La nature du Soleil (antiquité grecque) Plutarque (46-125; Œuvres morales : les opinions des philosophes Anaximandre dit que c'est un cercle vingt-huit fois plus grand que la terre (18) ; que son orbite est semblable à la roue d'un char, qu'elle est creuse et remplie de feu, et qu'elle a dans une de ses parties [890a] un orifice par lequel les rayons du soleil sortent comme par le trou d'une flûte. Xénophane croit qu'il est un assemblage de petits feux formés d'exhalaisons humides, et dont la réunion compose la masse du soleil, ou même qu'il n'est autre chose qu'un nuage embrasé. Les stoïciens veulent que ce soit un corps enflammé et doué de raison, qui se forme des vapeurs de la mer. Suivant Platon, c'est une masse considérable de feu. Anaxagore, Démocrite et Métrodore disent que c'est une masse ou une pierre ardente; Aristote, que c'est un globe formé du cinquième élément ; le pythagoricien Philolaüs, que c'est une substance transparente comme le verre, qui reçoit la réverbération du feu dont le monde est rempli, [890b] et qui nous en transmet la lumière comme à travers un tamis. Ainsi, selon Philolaüs, il y a comme trois soleils, la matière ignée qui remplit le ciel, la réverbération qu'elle envoie sur le miroir, auquel il compare cet astre, et en troisième lieu enfin, la lumière qui de ce miroir se répand jusqu'à nous par la réfraction, et à laquelle nous donnons le nom de soleil, comme étant l'image même de l'image (19). Empédocle a cru qu'il y avait deux soleils, l'un qui est le feu même élémentaire, contenu dans l'autre hémisphère du monde, qu'il remplit, et toujours opposé à la lumière de ce feu qu'il réfléchit vers nous; l'autre soleil est celui qui, par la réfraction, paraît dans notre hémisphère, que remplit un air mêlé de feu, et dont l'éclat est l'effet de la réfraction que la sphéricité de la terre cause dans ce soleil, qui est de nature cristalline, et cet éclat nous est apporté par le mouvement [890c] du corps igné. Pour le dire, en un mot, Empédocle croit que le soleil n'est autre chose que la réverbération du feu qui est autour de la terre (20). Épicure dit que le soleil est une concrétion terrestre, poreuse comme une pierre ponce, et que le 5 feu a pénétrée.

6 La nature du Soleil (antiquité grecque) Une variété d interprétations spéculatives (forcément) Feu - notion chaleur pierre ardente (interprétation matérialiste - notamment Démocrite) Interprétations liées à l analogie avec la matière terrestre Mais aussi: corps doué de raison, réverbération du feu remplissant le monde, Aristote clôt ce débat par le postulat d une 5 ème espèce de matière et d un monde supra-lunaire distinct et éternel Toujours la tentative de comprendre et de ne pas se contenter d une interprétation mythologique! 6

7 La nature du Soleil et des étoiles (6 ème siècle après JC - Renaissance) Jean Philopon (6 ème siècle ap JC; philosophie chrétienne: critique d un Univers éternel, sans création, selon Aristote): étoiles = Soleils «Une étoile dépasse l autre par sa clarté, dit l apôtre Paul. Et en effet, elles se distinguent considérablement par leurs taille, couleur et brillance, et je crois que la raison ne doit être cherchée que dans la composition de la matière formant les étoiles. Elles ne peuvent être des corps simples. Car en quoi se distingueraient-elles, sinon par leur composition? C est aussi la cause de la très grande variété des feux sub-lunaires, des aérolithes, comètes, météores, étoiles filantes et de la foudre. Des feux terrestres utiles à l homme se distinguent aussi selon le combustible, qu il s agisse de l huile ou de la poix, de roseaux, de papyrus ou des différentes espèces de bois en état humide ou sec.» G. Bruno (fin 15 ème ): pluralité des mondes (habitées), les étoiles (au moins: certaines étoiles) sont des Soleils, entourés de planètes (qui nous sont invisibles, tout comme des planètes éventuelles au-delà de Saturne). 7

8 L abandon de la séparation aristotélicienne entre sub-lunaire et supra-lunaire (1) génération et corruption dans le monde supra lunaire : Tycho Brahe et la distance des comètes, absence de parallaxe de la «nouvelle étoile» (cours 3) Harriot, Fabricius, Scheiner, Galilée : taches solaires (2) Galilée : observation de la Lune, non sphérique, surface rugueuse, similaire à la Terre (Sidereus Nuncius) Au début du 17 ème siècle, les observations commencent à suggérer que la matière des astres n est pas fondamentalement différente de celle de la Terre (confirmation des idées de certains penseurs précédents, voir Philopon; élément nouveau: moyens d observation, lunette). 8

9 Les taches solaires Le changement dans le monde supra-lunaire

10 Génération et corruption dans le monde supralunaire - les taches solaires (1611/12) 2 juin 3 juin 5 juin Galilée: Dessin de taches solaires observées en juin 1612 Taches sombres à la surface du Soleil Ecart à la «perfection» (sphère uniforme)! Rotation du Soleil

11 Génération et corruption dans le monde supra-lunaire - les taches solaires (1611) C. Scheiner (père jésuite): dessin d un groupe de taches solaires pendant plusieurs jours successifs (vers 1630) Que révèle le déplacement des taches de jour en jour? Phénomènes à la surface du Soleil (Fabricius; Galilée)? Corps opaques en orbite autour du Soleil (idée initiale de Scheiner)? 11

12 Les taches solaires: observations contemporaines (Observatoire Meudon) Clichés: Observatoire de Paris, Meudon 12

13 Que révèlent les taches solaires? pénombre Deux composantes: noyau sombre («ombre») Entourage moins sombre («pénombre») Interprétation d aujourd hui: Dans une tache solaire, du champ magnétique émerge de l intérieur du Soleil, empêche échange de chaleur entre intérieur et extérieur (plus froid plus sombre) ombre Cliché Pic du Midi 13

14 Galilée : Dialogue sur les deux grands systèmes du monde Ecrit par Galilée en guise de discussion «objective» des systèmes géocentrique (Aristote, Ptolémée) et héliocentrique (Copernic) - physique et astronomie En fait une défense du système copernicien (et une glorification des exploits de Galilée) + ridiculisation des idées opposées Les protagonistes : Salviati (parti Galilée) Sagredo (bourgeois éclairé partisan Galilée) Simplicio (moine, défenseur de la théorie d Aristote et de l Eglise) 14

15 La nature des taches solaires (Dialogue) Simplicio : «Etoiles» (comme Mercure, Vénus) tournant autour du Soleil (= l interprétation initiale de Scheiner en 1612). Phénomènes dans l air ou dans les lentilles de la lunette. Corps opaques de formes irrégulières tournant autour du Soleil, s agrégeant / désagrégeant au hasard. Retour des mêmes taches. Orbite du Soleil Changement visuel sans génération ou corruption (Scheiner paraît réussir ainsi sauver l immuabilité du Soleil, en sacrifiant l idée qu au centre de tout mouvement est la Terre) Terre Centre de l orbite du Soleil (modèle géocentrique) 15

16 La nature des taches solaires (Dialogue) Salviati : Les taches peuvent se former et se désagréger au milieu du disque solaire. Les taches font partie de la surface du Soleil : Déplacement plus lent près du bord qu au centre du disque solaire; Taches plus étroites près du bord qu au centre du disque. Génération et corruption au Soleil, non seulement changement visuel (mais: Scheiner utilisait les mêmes arguments en faveur de son idée de corps opaques tournant autour du Soleil). 16

17 Le progrès des observations Scheiner : dessin publié en 1630 Progrès notable de la qualité des observations : Détails de la structure des taches (ombre, pénombre) Changements de jour en jour Scheiner tombe d accord avec Galilée : tache = phénomène solaire. 17

18 Le changement de vue sur la nature des astres Changement radicale de vue au 17 ème siècle: Les astres sont constitués de la même matière que la Terre Les astres sont habités (G. Bruno; voir Fontenelle, Entretiens sur la pluralité du monde; vue partagée par certains astronomes, jusqu au début 19ème siècle) Mais: ce changement de vue résulte de la réflexion/spéculation, sans moyen de vérifier ou invalider la nouvelle image de l Univers 18

19 L astrophysique est-elle possible? A. Comte, Cours de philosophie positive, 19 ème leçon (1835): 19

20 Astronomie - astrophysique Depuis l antiquité : recherches sur la nature des mouvements des astres («astronomie») Comment interpréter les mouvements observés en projection sur la sphère céleste: modèles géocentrique / héliocentrique Comment comprendre ces mouvements: dynamique, puis (depuis le 17ème siècle) gravitation (combinaison physique et astronomie) Pas d autres moyens de comprendre la nature des astres que la spéculation. Depuis le 19ème siècle: moyens observationnels pour des recherches sur la nature des astres («astrophysique») Analyse spectrale: composition chimique, températures Evolution des étoiles Découverte de planètes hors du système solaire Mise en évidence de l existence de «matière noire»? Expansion de l Univers 20

21 La spectroscopie Naissance de l astrophysique

22 L analyse spectrale Décomposition de la lumière visible par un prisme: spectre (Newton) Spectre continu (p. ex. corps solide incandescent; gaz en équilibre thermodynamique) 22

23 Que mesure-t-on par la spectroscopie? La température des étoiles Notion intuitive: plus un gaz est chaud, plus il émet de la lumière plus la couleur s approche du bleu Gaz : loi de Planck (1900), d où flux émis F=σT 4 (Stefan 1879) longueur d onde du max. de brillance λ m T=cte. (Wien 1893) La répartition spectrale du rayonnement selon Planck 23

24 Les couleurs des étoiles Constellation Orion Couleur température Laquelle de l étoile bleue (bas à droite) ou de l étoile rouge (haut à gauche) est la plus chaude? Etoiles rouges: T 3000 K bleues: T K Première mesure de la température d une étoile:

25 Le spectre du Soleil Comparaison entre le spectre observé (hors atmosphère Terre) et la loi de Planck à 5800 K : max. du spectre dans le vert (5800 K) 25

26 Une surprise dans le spectre du Soleil : les raies spectrales J. von Fraunhofer (1817): le spectre du Soleil contient des raies sombres. Kirchhoff & Bunsen (1854) : raies sombres dans spectre du Soleil à la place de raies brillantes dans le spectre de flammes. Chaque gaz a un ensemble de raies caractéristiques. Possibilité d étudier la composition chimique des étoiles : naissance de l astrophysique (contradiction à Comte!) Pourquoi des raies? Physique atomique début 20 ème siècle. 26

27 Le rayonnement électromagnétique + - hν Un électron (e - ) accéléré par un ion émet du rayonnement (un photon) + hν La différence entre l énergie de l e - avant et après la déviation est l énergie du photon émis: ΔE=hν=hc/λ e - libre dans un solide: ΔE continu spectre continu des solides incandescents e - dans un atome: orbites discrètes (Bohr) spectre discret (raies) des gaz dilués (mécanique quantique, début 20 ème ) 27

28 Exemple: spectre émis par l atome d hydrogène (H) Série de raies par transition vers un même niveau final à partir de différents niveaux de départ Exemple: raies d émission, série de Balmer: 28

29 Intuition, observation, théorie - une nouvelle physique au 20 ème siècle Pour expliquer les observations du 19 ème siècle (raies spectrales, ), la physique du 20 ème a dû abandonner des concepts qui semblaient solides: p.ex. la différence fondamentale entre une onde et une particule. Les nouveaux concepts paraissaient contre-intuitifs aux physiciens de l époque (Einstein contre la mécanique quantique et sa description probabiliste des processus atomiques: «Dieu ne joue pas aux dés» Une nouvelle illustration de la nécessité d adapter la vue du monde physique aux observations et de dépasser les idées reçues (voir Aristote et la sphéricité de la Terre) et ses propres préjugés. 29

30 La matière de l Univers 1ère application de la spectroscopie

31 L analyse spectrale et la nature du Soleil - Jules Janssen 1879 (1) JJ qualifie l avis d Arago (à la suite de W. Herschel) que le Soleil est sans doute habité d idée presque ridicule Janssen: La technique d analyse spectrale a transformé la physique solaire : La plupart des métaux connus sur Terre sont présents au Soleil sous forme gazeuse - 1 ère étape décisive pour démontrer l unité matérielle de l Univers Étoiles ( = soleils lointains ) contiennent les mêmes métaux que la Terre - démonstration de l unité de l Univers Etoiles entourées de nuages d hydrogène C est aussi le cas du Soleil, comme le montrent les observations d éclipses. Mais : cette idée doit s imposer contre une apparente contradiction : l hydrogène est moins abondant sur la Terre que dans l Univers. Un argument contre l unicité de l Univers??? (1) Publication dans l Annuaire du Bureau des Longitudes 31

32 Observations et doutes C. Payne ne croit pas à ses observations, parce qu elles contredisent ses attentes (Thèse Cecilia Payne, 1925) Pareil, son directeur de thèse: «clearly impossible» d après O. Gingerich,

33 et pourtant (nos connaissances actuelles) Référence: sur atomes d H Cliché Pour la Science Prépondérance des éléments légers : H, He Tous les autres éléments sont au moins 10 mille fois moins abondants Hypothèse erronée début 20 ème siècle: Soleil contient éléments chimiques connus de la Terre, et dans les mêmes proportions. 33

34 La solution de l énigme des éléments légers La Terre n exerce pas une gravitation suffisante sur les éléments légers pour les retenir. Ils sont donc sous-abondants sur la Terre. Janssen, Payne avaient raison. L hydrogène est l élément prépondérant des étoiles et de l Univers dans son ensemble. Une idée a priori (composition chimique identique dans tout l Univers) a dû être surmontée par des observations et réflexions théoriques approfondies. A noter les changements radicaux d une idée erronée à l autre : Terre corps privilégié (avant 1600) tous les astres sont habités ( 1700 (Fontenelle) (Herschel) ) Matière céleste = 5 ème élément, Terre composition chimique partout la même 34

35 La spectroscopie Classification des étoiles

36 La classification des spectres des étoiles H.N. Russell, 1914 Satellite Hipparcos, 1995 Diagramme Hertzsprung-Russell Géantes rouges Naines blanches T L(étoile) / L(Soleil) chaude & brillante chaude & peu brillante Soleil froide & brillante froide & peu brillante Température [K] Classification des étoiles selon leur spectre: pour un gaz en équilibre thermodynamique L=4πR 2 σt 4 (loi de Stefan); une étoile est brillante parce qu elle est (1) chaude ou (2) grande. 36

37 La classification des spectres des étoiles Géantes rouges Naines blanches Grande majorité des étoiles le long de la séquence principale (SP). L=4πR 2 σt 4 Les étoiles rouges plus brillantes que celles de la SP: à T égale, rayons supérieurs (géantes). Les étoiles blanches moins brillantes: rayons moindres que les étoiles de la SP (naines blanches). Beaucoup d étoiles sur la SP parce que c est la phase d existence la plus longue d une étoile (fusion H He). Peu de naines blanches parce qu elles sont difficiles à détecter. 37

38 Les naines blanches Sirius : a un compagnon (mouvement de l étoile brillante autour du centre de masse des deux étoiles) Analyse de l orbite : le compagnon a une masse comparable au Soleil, mais une très faible luminosité (donc faible taille : étoile naine) R= km, ρ = kg/m 3 matière très différente du Soleil, décrite par la physique atomique du 20 ème siècle, incompréhensible au 19 ème siècle 38

39 Voir l invisible La spectroscopie et la découverte d objets «invisibles»: planètes hors du système solaire, «matière noire»

40 Effet Doppler : ondes sonores λ 0 λ 0 λ 0 Une source sonore émet des ondes à des intervalles réguliers au repos par rapport à l observateur : λ obs =λ 0 Source s approche : λ obs =λ 0 -Δλ ( bleu) Source s éloigne : λ obs =λ 0 +Δλ ( rouge) Δλ λ 0 = V c Similaire pour la lumière 40

41 Effet Doppler : exoplanètes La planète force l étoile orbite autour du centre de masse ( ) du système. Décalage Doppler des raies de l étoile. r * r p 41

42 Effet Doppler : exoplanètes Le mouvement de l étoile traduit la présence d un corps en orbite Le rayon de l orbite de l étoile autour du centre de masse du système permet d estimer la masse du compagnon. Si faible masse: probablement planète. Environ 1000 planètes ont été trouvées à ce jour autour d autres étoiles que le Soleil. 42

43 Mouvements du Soleil induits par les planètes Newton : si le Soleil exerce une force sur les planètes, celles-ci doivent également exercer une force sur le Soleil Conséquence des attractions mutuelles Soleil-planètes : Trajet du centre du Soleil par rapport au centre de masse (CM) du système solaire, sous l influence des planètes Perturbations multiples (planètes) P. Lantos, Le Soleil en Face Mouvement complexe du centre solaire Centre de masse légèrement en dehors du Soleil 43

44 Effet Doppler : rotation des galaxies Deux cartes de la même galaxie spirale, en lumière visible (gauche) et ondes radio, λ=21 cm (H neutre; droite; couleurs indiquent vitesses - 44 bleu = approche, rouge = éloignement) mvt de rotation

45 Effet Doppler : rotation des galaxies Rotation de la galaxie d Andromède: Vitesse orbitale des astres (étoiles, nuages de gaz) décroît vers l extérieur de la galaxie jusqu à 80 minutes d arc Puis: vitesse constante d un peu plus de 200 km/s Impossible à comprendre par la gravitation si la seule matière de la galaxie est la matière visible - indication de «matière noire»? 45

46 Effet Doppler : rotation des galaxies Matière «noire»: N émet aucun rayonnement électromagnétique (visible, UV, X, radio ) Un type de matière dont nous ne connaissons pas la nature La majorité de la matière de l Univers est-elle «noire»? Idée fondée sur réflexions théoriques, trop tôt pour l affirmer. 46

47 L expansion de l Univers Le mouvement des galaxies révélé par la spectroscopie

48 Effet Doppler : galaxies lointaines Spectres en lumière visible de 2 galaxies : une proche (noir), une lointaine (rouge) Intensité Galaxie proche Δλ Constat : le spectre de la galaxie lointaine est décalé vers les grandes λ (vers le rouge) Conclusion: la galaxie lointaine s éloigne de la galaxie proche. Δλ Δλ Galaxie lointaine Longueur d onde F. Durret, IAP Paris 48

49 Effet Doppler : galaxies lointaines E. Hubble (1929 ): décalage vers le rouge augmente avec la distance r de la galaxie Confirmé par de nombreuses observations Interprétation V = Δλ c λ 0 «Loi de Hubble» V=H 0 r Vitesse V [km/s] Distance r [Mpc] Riess, Press & Kirshner (1996), Astrophysical Journal 473, 88 big-bang/redshift/decalage-rouge/index.html 49

50 Effet Doppler : galaxies lointaines Conclusion: les galaxies semblent s éloigner les unes des autres, avec une vitesse qui augmente avec la distance. Interprétaion: l Univers (=ensemble de galaxies) n est pas statique, mais en expansion. Vitesse V [km/s] Distance r [Mpc] Récemment: obs. d une expansion accélérée???? Riess, Press & Kirshner (1996), Astrophysical Journal 473, big-bang/redshift/decalage-rouge/index.html

51 Résumé : apports de la spectroscopie à l astrophysique Analyse spectrale: le moyen d étudier la constitution des astres, et de mesurer des températures, vitesses Composition chimique de l Univers: Matière visible = éléments connus sur Terre Une interrogation surprenante: matière «noire» dominante??? Les systèmes planétaires existent autour d autres étoiles que le Soleil (ce n est pas une surprise - G. Bruno, 1600) L Univers n est pas statique, mais en expansion 51