NUCLEOSYNTHESE ( formation des éléments chimiques dans l' Univers ) et VIE ET MORT DES ETOILES

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1 NUCLEOSYNTHESE ( formation des éléments chimiques dans l' Univers ) et VIE ET MORT DES ETOILES Gérard SCACCHI Société Lorraine d'astronomie ( SAFGA 5 / 03 / 203 )

2 PREAMBULE : RAPPELS ATOME STRUCTURE noyau sphérique électrons gravitant autour 2

3 ATOME (suite) DIMENSIONS Atome : rayon atomique le plus petit : H 50 pm 0-0 m = 0, nm = 00 pm le plus grand : Cs 270 pm Noyau : 0-5 m Electrons : beaucoup plus petits que le noyau fois plus petit que l'atome Volume du noyau : 05 soit million de milliards de fois plus petit que celui de l'atome la matière est constituée de 99, % de vide (3 décimales 9) Analogie : noyau = balle de tennis (r = 3 cm ) rayon atomique = 3 km conséquences pour la suite 3

4 ATOME (suite) CONSTITUANTS DE L'ATOME Constituants du noyau : nucléons Protons (p) et neutrons (n) masses quasi-identiques : mp =, kg mn =, kg charges : neutron 0 proton +, C = charge élémentaire + e Electrons masse = 9,. 0-3 kg 2000 fois plus faible qu'un p ou n charge négative = - e = -, C 4

5 ATOME (suite) REPRÉSENTATION SYMBOLIQUE DU NOYAU nombre de neutrons = A-Z nombre de nucléons = A nombre de Z masse X élément chimique nombre de protons = nombre de charge = numéro atomique Ex : H noyau : p noyau d'hydrogène ou «proton» 0n Fe noyau : 26 p ( ) = 30 n Isotopes : même Z, nombre de neutrons différent : 2 H 3 H deutérium tritium 5

6 RÉACTIONS NUCLÉAIRES Entre noyaux atomiques uniquement (pas d'intervention des électrons) chimie RÉACTION DE FUSION ex : H He 4 H (coeur des étoiles. 0 millions de K ) He + 2 e (mécanisme plus loin) ΔE = ( 4 mh - mhe - 2 me+ ) c2 perte de masse = 2,4. 09 kj / mole énergie libérée par la formation d'une mole de He ( ) Comparaison avec les réactions chimiques ex : C + O2 = CO 2 ΔE = 400 kj / mole de CO2 Facteur 07 ( 0 millions ) entre réactions nucléaires et réactions chimiques Soleil :chaque seconde : consommation de 600 millions de t de H perte de masse : 4 millions de t énergie 6

7 CLASSIFICATION PÉRIODIQUE DES ÉLÉMENTS CHIMIQUES 8 éléments connus dont 94 naturels ( seuls constituants de l'univers? ) Rôle particulier du Fer ( Z = 26 ) 7

8 4 FORCES DANS LA NATURE d ma Gravitation attractive agit à grande distance F =G mb ma mb 2 d Force électromagnétique (entre 2 corps chargés) attractive si charges opposées (ex: p et e- ) répulsive si charges même signe (ex: 2 p dans un noyau) Force nucléaire forte : à l'intérieur du noyau uniquement «ciment» entre les nucléons malgré les répulsions (ex: 2 p) Force nucléaire faible : intervient dans certains types de désintégrations radioactives Importances relatives des 4 forces Nucléaire forte Electromagnétique 0-2 Nucléaire faible 0 - Gravitation

9 NUCLÉOSYNTHÈSE 3 types : Nucléosynthèse primordiale (naissance univers) éléments très légers : 2 Nucléosynthèse - phase «calme» - phase «explosive» 3- H 2 H 3 H 3 2 He 42 He ( 73 Li ) stellaire (étoiles) tous les éléments entre Li et Fe tous les éléments plus lourds que Fe Nucléosynthèse interstellaire Li, Be et B 9

10 NUCLÉOSYNTHÈSE PRIMORDIALE Donne naissance aux éléments très légers Modèle du big-bang ( b.b.) 3,7 milliards d'années Jusqu'à s après le b.b. : T = 00 K ( 0 milliards ) «Soupe de particules élémentaires» : photons γ, neutrinos ν, quarks libres, électrons positrons 0 e, protons H, neutrons 0 0 e n 2 à 3 minutes après le b.b. : T = 09 K ( milliard ) nombreuses réactions parmi lesquelles : 2 H + 0 H + 0 n 2 H + γ n 3 H + γ Dans les réactions nucléaires : conservation de A et de Z 0

11 NUCLÉOSYNTHÈSE PRIMORDIALE (suite) + H H He + 3 H 3 2 He + γ H 4 2 He + γ H 7 3 Li + γ Abondances relatives prévues par le modèle du b.b. celles observées H et He = 98 % de la matière dans l'univers 75 % de H, 23 % de He (instable) Puis T chute rapidement arrêt de la nucléosynthèse % atomiques : 92 et 7 Ce sont les plus vieux noyaux atomiques du monde Présents ( H surtout ) en chacun de nous... TOUTE LA SUITE ( nucléosynthèses stellaire et interstellaire ) = transformation et diversification de la matière créée au moment du b.b. Il n'y a plus de création nette de matière depuis

12 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» Après quelques centaines de millions d'années, la matière s'organise en étoiles, galaxies, amas de galaxies... FONCTIONNEMENT D'UNE ÉTOILE Corps gazeux, en équilibre hydrostatique (pendant la phase «calme») : - gravitation qui tend à comprimer l'étoile - réactions thermonucléaires au centre, qui s'opposent à cette contraction ( pression des gaz + pression de radiation ) Équilibre stable : - si le rayon de l'étoile (contraction), T, accélération des réactions nucléaires rétablissement de l'équilibre - si le rayon (expansion), T, ralentissement des réactions nucléaires, la gravitation rétablit l'équilibre2

13 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» (suite) POURQUOI EST-IL NÉCESSAIRE D'AVOIR DE TRÈS HAUTES TEMPÉRATURES AU COEUR DE L'ÉTOILE? Réaction de fusion de H en He : H proton ( 0 n) He 2 protons ( + 2 n) Rapprochement de 2 p malgré la répulsion électrostatique Choc violent nécessaire, donc vitesses élevées, donc T très élevées Pour cette réaction : K ( 0 millions) Si l'on veut fusionner : He (2p) 8 4 Be (4p) répulsion de 2 p contre 2 p : 4 fois plus forte Donc T nécessaire plus élevée. Ici : T > K ( 00 millions) Ainsi de suite : plus les noyaux qui fusionnent sont gros, plus la T nécessaire devra être élevée 3

14 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» (suite) ALTERNANCE DE CYCLES DANS LE FONCTIONNEMENT «CALME» D'UNE ÉTOILE Naissance d'une étoile : contraction d'un nuage de système solaire à cette échelle : gaz ( H2 ) et de poussières Ex : ( x 0 )... «les piliers de la création» = «pouponnière d'étoiles» dans la nébuleuse de l'aigle ( télescope Hubble ) 7000 années-lumière de la Terre a.l. = milliards km Taille des nuages : 3 a.l.. Pour comparaison : dimensions du système 4 solaire : 20 heures-lumière

15 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» (suite) ALTERNANCE DE CYCLES DANS LE FONCTIONNEMENT «CALME» D'UNE ÉTOILE Contraction initiale du nuage de gaz : T (0.06 K) épuisement de He nouvelle contraction ( T = K) fusion de He C et O (second équilibre) fusion de C Ne et Mg (nouvel équilibre) fusion de H He (premier équilibre) nouvelle contraction ( T = K) épuisement de H etc... jusqu'à 4.09 K (4 milliards) Selon la masse initiale Me de l'étoile : arrêt ± tôt dans cet enchaînement5

16 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» (suite) CONDITIONS D' «ALLUMAGE» DES RÉACTIONS NUCLÉAIRES Pour TOUTES les étoiles : contraction initiale d'un nuage de gaz ( H2 ) échauffement Si : masse de gaz Me < 0,08 Ms (masse solaire) pas d'allumage des réactions thermonucléaires naine brune = «étoile manquée», intermédiaire entre une planète géante et une «vraie» étoile, de petite taille ( naine rouge) destin : refroidissement très lent Si : masse de gaz Me 0,08 Ms allumage de la fusion de H vraie étoile 6

17 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» (suite) 2 FUSION DE L'HYDROGÈNE Nécessite T = 0.06 K (0 millions) Concerne l'évolution nucléaire de 90 % des 200 milliards d' étoiles de notre Galaxie er maillon de la chaîne de nucléosynthèse stellaire 2 manières de fusionner H : cycle proton-proton cycle C N O I - Cycle proton proton ( cycle p-p) Cycle important pour les petites et moyennes étoiles ( cycle p-p = 9 / 0 de l'énergie du Soleil ) 0.06 K < T < K ( Soleil : 5 millions K ) 7

18 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» (suite) Mécanisme du cycle proton - proton (x 2) H + (x 2) 2 H Bilan : 4 H H + H 3 2 He + γ He 4 2 He + 2 He p 0n 0 2 H 4 2 2p 2n e + υ (neutrino) les moins massives des étoiles s'arrêtent là H e + γ + 2υ 2p 2n + 2 (calcul de l'énergie dégagée :cf précédemment) 0 e 8

19 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» (suite) II Cycle C N O ( cycle de Bethe Weizsäcker ) Intervention de noyaux plus lourds : C, N, O comme catalyseurs Doivent avoir été formés par des générations d'étoiles antérieures, donc le cyle CNO ne concerne que des étoiles assez récentes ( population I ) Noyaux plus lourds, donc nécessité d'une T plus élevée > K ( 20 millions) donc : grosses étoiles Bilan : le même que le cycle p-p C, N, O = catalyseurs : participent et favorisent la réaction mais sont régénérés à la fin Cycle plus rapide que p-p : les étoiles massives ont une durée de vie plus courte 9

20 LE SOLEIL modèle d'une étoile «ordinaire» Sphère gazeuse diamètre : km 99,86 % de la masse du système solaire T de surface : 5800 K ( jaune ) T du coeur : 5 millions de K Transformation de l'hydrogène en hélium 20 Isabelle SLA

21 STRUCTURE INTERNE DU SOLEIL Les différentes couches : couronne solaire chromosphère photosphère zone de convection zone radiative noyau 2

22 VENT SOLAIRE / VENT STELLAIRE Vent solaire (stellaire) = flux de plasma, constitué d'ions et d'électrons, éjectés de la haute atmosphère du Soleil (étoile) : 73 % de H et 25 % de He Perte de Sondes Voyager parties en 977 masse du («arrivée» étoile la plus proche dans ans ) Soleil sous forme de vent solaire : million de tonnes / s (plus 4,3 millions de tonnes / s par la réaction nucléaire) Vitesse : 450 km/s 22 ( km / h )

23 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» (suite) Fusion de H ( par le cycle p-p ) processus lent (par rapport aux autres fusions) grande quantité de H explique la longévité des étoiles moyennes (Soleil : 0.09 années) ÉPUISEMENT de H nouvelle contraction si Me < /3 Ms arrêt à ce stade (naine rouge) contraction insuffisante pour allumer la fusion de He naine blanche à coeur de He refroidissement naine noire T = K (00 millions) 23 FUSION de He si Me > /3 Ms ( Soleil ) contraction suffisante pour atteindre

24 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» (suite) 3 FUSION DE L'HÉLIUM T = K ( 00 millions) Me > /3 Ms au coeur de l'étoile : processus «triple α» ( α = He 8 4 Be α C 4 2 He ) O instable à la fin de la phase de fusion de He : coeur de C et O ÉPUISEMENT de He nouvelle contraction si Me > 8 Ms si Me < 8 Ms cas du Soleil arrêt à ce stade ( cf. diapos suivantes) contraction suffisante pour atteindre T = K FUSION de C (puis des suivants) 24

25 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» (suite) SORT DES ÉTOILES DE MASSE Me : /3 Ms < Me < 8 Ms ( type Soleil ) coeur : fusion de He C et O très haute T ( K ) enveloppe (moins chaude) : H restant commence à fusionner en He fusion en couches dilatation énorme des régions externes de l'étoile : l'étoile = géante rouge, qui perd une partie de son enveloppe sous forme d'un vent stellaire relativement lent ( 20 km/s ) et dense Echanges entre le coeur et l'atmosphère de l'étoile du milieu interstellaire en C et O enrichissement Ex du Soleil : dans 5 milliards d'années géante rouge rayon multiplié par 200 : 0, km il «absorbera» l'orbite de Mercure et celle de Vénus et atteindra celle de la Terre (carbonisée) 25

26 Taille du Soleil comparée à celles d'étoiles Géantes et Super Géantes 26 ( pixel)

27 27

28 Le Soleil et la plus grosse étoile connue : VY du «Grand Chien» 28

29 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» (suite) SORT DES ÉTOILES DE MASSE Me : /3 Ms < Me < 8 Ms (suite) (type Soleil) puis épuisement de He : contraction du coeur de C et O T insuffisante pour fusionner C plus d'activité thermonucléaire : étoile morte soutenue par la P de dégénérescence des e- ( volume réduit ) naine blanche : diamètre terrestre densité = t / cm3 refroidissement (dizaines de milliards d'années) naine noire cristallisation du carbone en diamant :diamant de la taille de la Terre... lors de la contraction en naine blanche : vent stellaire 00 fois + rapide (2000 km/s) qui rattrape le matériau du vent lent compression en une coquille, gonflée par la P nébuleuse planétaire avec la naine blanche au centre 29

30 Nébuleuse planétaire M 57 ( Lyre ) 2000 a.l. diamètre :,3 a.l. Naine blanche au centre 30

31 Nébuleuse de l'oeil du Chat 3

32 Nébuleuse de l'oeil Flamboyant 32

33 Nébuleuse de l'esquimau (ou du Clown) 33

34 5800 K DIAGRAMME HR (Hertzsprung-Russel) : luminosité = f ( T ) étoiles du catalogue Hipparcos position du Soleil 000 étoiles du catalogue Gliese 34

35 Séquence principale (SP) : 90 % des étoiles de la Voie lactée réaction : H He Les étoiles quittent la SP quand H s'épuise : He s'allume dans le coeur et H dans les couches externes géante rouge Puis, pour les petites étoiles ( Me < 8 Ms) : naines blanches et nébuleuses planétaires «Trajet» du Soleil 35

36 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» (fin) 4 FUSIONS SUIVANTES, POUR LES ETOILES : Me > 8 Ms fusion épuisement durée (années) He C température ( K ) nouvelle contraction fusion etc... nouvelle T de la «cendre» précédente Etoile de 25 Ms : Ne 0,5 O,5.09 jour Si 2,5.09 3,2.09 tous les éléments jusqu'au FER Remplissage du coeur de l'étoile par le Fer = dernière phase de la nucléosynthèse «calme» car le noyau de fer ( Z = 26, A = 56 ) est le plus stable de tous les noyaux aucune réaction nucléaire exothermique (fusion ou fission) à partir du fer la gravitation l'emporte (car Me > 8 Ms) effondrement du coeur = SUPERNOVA ( SN II ) 36

37 STABILITÉ DU NOYAU ÉNERGIE de LIAISON El Force du «ciment» entre les nucléons, assuré par la Force nucléaire forte El est rapportée au nombre A de nucléons : plus El /A est grand plus le noyau est stable Courbe d'aston : - El / A en fonction de A Le noyau le plus stable est celui du Fer 56 Fe 37

38 PRINCIPE DE LA FUSION ET DE LA FISSION Si le noyau «fils» est plus près du fer que le noyau «père», libération d'énergie donc plus stable Analogie mécanique - El / A A 0 noyaux «père» fusion «fils» fission «père» «fils» Fe Tout déplacement à partir du fer demande de l'énergie au lieu d'en fournir conséquences considérables pour le devenir des étoiles et la nucléosynthèse bille en position instable libération d'en. cinétique lors d'un choc Bille en position stable Il faut fournir de l'énergie pour remonter la bille le 38 long de la pente

39 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME»(résumé) Durées des différentes phases de fusion Plus l'étoile est grosse, plus la fusion de H est rapide ( cycle C,N,O ) Les cycles de fusion sont de plus en plus courts, au cours de la vie d'une étoile massive ( Me > 8 Ms) Étoile de 0,3 Étoile de Étoile de 25 masse solaire masse solaire masses solaires fusion de 800 milliards 0 milliards 7 millions l'hydrogène d'années d'années d'années S'arrête avant 200 millions fusion de d'atteindre ce ans d'années l'hélium stade S'arrête avant fusion du d'atteindre ce 200 ans carbone stade fusion du néon an fusion de 5 mois l'oxygène fusion du jour silicium 39

40 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «CALME» (résumé) ETOILE DE 25 MS Résumé des différents cycles de fusion juste avant l'effondrement du coeur en Supernova super-géante rouge Structure en pelures d'oignon T en milliards de K Coeur : minuscule, comparé à l'étoile entière ex : super géante de diamètre 700 millions de km coeur : km 40 (analogie :bille de cm / boule de km)

41 NUCLÉOSYNTHÈSE STELLAIRE «EXPLOSIVE» A la fin de la nucléosynthèse «calme» : effondrement brutal du coeur de Fer (en qq ms ) énergie colossale (de gravitation). T atteint des dizaines de milliards de K rayonnement γ intense qui va fournir au fer l'énergie nécessaire pour réagir Sort du coeur de l'étoile : détruit par photodégradation (rayons γ ) : ( x 3 ) ( x 26 ) bilan : Fe He n He + 2 H n H + 0 Fe + 26 e 0 0 n + υ 0 e + 56 n + 26 υ Tout le noyau de fer est transformé en neutrons, par capture de 26 e- par les 26 p 26 n ( + 30 n de départ = 56 n) 4

42 NUCLÉOSYNTHÈSE «EXPLOSIVE» ( suite ) Grandeur fondamentale en astrophysique : la «masse de Chandrasekhar» =,4 Ms Si masse du coeur de l'étoile <,4 M (cas des petites étoiles < 8 Ms au s départ, type Soleil) naine blanche Si masse du coeur >,4 M (cas des grosses étoiles > 8 M au départ), le gaz s s d'électrons «dégénérés» ne peut supporter la force de gravitation soit une étoile à neutrons, soit un trou noir, selon la masse initiale Me de l'étoile si,4 Ms < Mcoeur< 3 Ms soit 8 Ms < Me,initiale < 30 Ms étoile à neutrons si Mcoeur > 3 Ms soit Me,initiale > 30 Ms trou noir 42

43 NUCLÉOSYNTHÈSE «EXPLOSIVE» ( suite ) ÉTOILE A NEUTRONS ( 8 Ms< M e,initiale < 30 Ms) Les neutrons refusent de se laisser comprimer «indéfiniment» (comme les «électrons dégénérés» dans les naines blanches) arrêt brutal de la contraction du coeur diamètre :qq km d = 00 millions à milliard de t / cm3 ( tête d'épingle = masse d'un super-pétrolier) Etoile gigantesque «noyau atomique» ( neutronium ) noyaux de fer superfluide neutrons et qq protons et électrons 43

44 NUCLÉOSYNTHÈSE «EXPLOSIVE» ( suite ) T = qq centaines de milliers à qq millions de K en surface gravité : 0 fois celle sur Terre vit. de libération km/s Un homme de 70 kg «pèserait» 7 milliards de tonnes... étoile morte : refroidissement cadavre stellaire invisible rotation extrêmement rapide (entre 0, et 000 tours / s) Conservation du moment cinétique : expérience du patineur 44

45 Emission d'un faisceau d'ondes électromagnétiques (surtout radio) Quand le faisceau balaie la Terre : pulsar ( = «phare céleste») Pulsar (vue d'artiste) 45

46 NUCLÉOSYNTHÈSE «EXPLOSIVE» ( suite ) TROU NOIR ( Me,initiale > 30 Ms) Même le «gaz» de neutrons dégénérés est incapable de résister à la gravitation effondrement «infini» du coeur. La vitesse de libération de l'étoile devient > c trou noir «Horizon des évènements» du trou noir = rayon de «non-retour» Rs : si un objet est comprimé de telle façon que son rayon soit < Rs cet objet devient un trou noir. Rs = rayon de Schwarzschild ne dépend que de la masse de l'étoile ex : pour le Soleil Rs = 3 km pour la Terre Rs = cm Au centre de la Voie Lactée : trou noir supermassif d'environ 4 millions de masses solaires, autour duquel tournent les quelque 200 milliards d'étoiles de la Galaxie... 46

47 Trou noir (observé dans le domaine des rayons X - Satellite Chandra ) ( au centre des 3 photos ) Fait partie d'un système binaire, avec une étoile ordinaire Celle-ci perd peu à peu son gaz qui vient former un disque d'accrétion autour du trou noir Température du gaz : plusieurs millions de degrés (rayonnement X) Emission périodique de jets de particules perpendiculairement au disque (vitesse : c/2) 47

48 NUCLÉOSYNTHÈSE «EXPLOSIVE» ( suite ) Sort de l'atmosphère de l'étoile ( cas d'une étoile à neutrons ) Effondrement du coeur en qq ms la matière des couches supérieures se précipite sur le coeur et rebondit Onde de choc ( vitesse : 30 à km / s!) du centre vers l'extérieur qui rallume la fusion des couches externes Supernova (SN II) Energie dégagée colossale, sous forme de : onde de choc échauffement de la matière ( T monte à plusieurs centaines de milliards de K ) flux de neutrinos = 99 % de l'énergie totale de la supernova Ex : Supernova de 987 ( Grand Nuage de Magellan à a.l.) : Energie de la SN = entre 00 et 000 fois ce que le Soleil aura rayonné en lumière pendant toute sa vie (0 milliards d'années) 48

49 après avant Supernova 987 A ( 24 février 987 ) dans le Grand Nuage de Magellan 49

50 Nébuleuse du Crabe M ( Taureau) Reste d'une étoile qui a explosé en supernova en 054 Observée par les chinois. Visible en plein jour pendant 3 semaines 6500 a.l. diamètre : 0 a.l. expansion :500 km / s Au centre : étoile à neutrons ( pulsar ) 50

51 Etoile à neutrons pulsar au centre de la Nébuleuse du Crabe Image composite (visible-rayons X) satellite Chandra Jets de matière et d'anti matière Anneau central : diamètre : a.l. 5

52 NUCLÉOSYNTHÈSE «EXPLOSIVE» ( suite ) Nucléosynthèse et ensemencement du milieu interstellaire neutrons : fabriqués en très grand nombre lors du passage de l'étoile en phase Supernova réactions avec les différents noyaux augmentation de leur masse ex : Fe Fe 0 n Fe n Fe Pour chaque ensemble ( + Fe n... etc... désintégrations β- ( départ d'un e- ) : Isotopes, de + en + instables ex : Co n e e + υ ): A Z A + Z + noyaux plus lourds que le Fer Pendant l'explosion de la SN : naissance de plus d'une soixantaine de noyaux plus lourds que le fer (ex : injection de 20 masses solaires de fer dans le milieu interstellaire) 52

53 NUCLÉOSYNTHÈSE INTERSTELLAIRE (Spallation cosmique) Tout ce qui précède forme tous les éléments de la table périodique, sauf : 6 3 Li 7 3 Li 9 4 Be 0 5 B 5 B Noyaux trop fragiles pour être formés dans les étoiles ( T trop élevées ) Abondance élevée seule possibilité : interaction des rayons cosmiques ( protons, électrons, autres noyaux : He et rayons γ ) avec les noyaux (ou atomes) He, C, O, N du milieu interstellaire Réactions difficiles, mais T très basse dans le milieu interstellaire noyaux produits stables car non détruits par des réactions nucléaires 53

54 CONCLUSION PROVISOIRE Tout ce qui précède rend compte de la formation des éléments chimiques constituant la matière «ordinaire» ( protons, neutrons, électrons ) mais Observations : masse «dynamique» >> sa masse «lumineuse» ( années 30 ) d'une galaxie ( vitesse des étoiles) ( luminosité des étoiles, nébuleuses ) courbe de rotation du système solaire : loi respectée Courbes de rotation : vitesse V des satellites en fonction de leur distance r au corps central (de masse M ) V diminue quand r croît en accord avec la mécanique de Newton : V = ( G M / r ) /2 54

55 Comportement du mouvement des étoiles autour du centre galactique : «courbe de rotation» d'une galaxie : vitesse V des étoiles en fonction de leur distance r au centre galactique Près du centre : rotation Vitesse V analogue à celle d'un solide, donc V augmente linéairement observée avec r prévue qq milliers d'a.l. distance r au centre galactique Ensuite, le mouvement des étoiles devrait suivre les lois de la gravitation : V=(GM/r)½ donc V devrait décroître quand r augmente Ce n'est pas ce qui est observé (dans le cas d'andromède) : Pour r donnée,v est plus grande 55 que prévue

56 2 explications possibles : V = ( G M / r) ½ V est plus grande que prévue : donc M, la masse du centre de la Galaxie, doit être également plus importante qu'estimée à partir de ce qui est observé : étoiles, nébuleuses, cadavres stellaires Ou bien la formule ci-dessus n'est plus valable à très grande échelle... Existence d'une «matière noire» matière ordinaire : lumineuse et non lumineuse ( nuages de gaz, naines brunes, cadavres stellaires, trous noirs ) : 5 % de la matière totale de l'univers 85 % = «matière noire», autre nature : neutrinos et autres particules ± hypothétiques ( WIMP's : Weakly interactive massive particules ). Cette matière noire formerait d'immenses halos autour 56 des galaxies. Aucune preuve expérimentale directe.

57 2 - Théorie «MOND» ( MOdified Newtonian Dynamics ) Modification des lois de la mécanique de Newton dans le cas de très grandes distances ( 983 ) - permet de rendre compte de la courbe de rotation des galaxies - dans sa version actuelle : est compatible avec la relativité générale ( théorie de la gravitation ) Actuellement, on ne peut pas choisir entre les deux possibilités : «matière noire» ou théorie MOND C'est l'une des grandes énigmes de l'astrophysique actuelle ( avec l'«énergie sombre», responsable de l'accélération de l'expansion de l'univers...) 57