ROCHES ET GEOCHIME. I : L univers. 1- Le problème de distance. Des unités appropriées à des distances impressionnantes :

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1 ROCHES ET GEOCHIME I : L univers 1- Le problème de distance Des unités appropriées à des distances impressionnantes : Unité astronomique : 1 u.a = distance Terre-Soleil = ^6 Km Année lumière : 1 a.l = ^9 de Km Parsec : 1 parsec = a.l 2- Le problème du temps Les distances au sein de l univers créent les décalages temporels. La lumière et les images qu elle porte circule qu à Km/s FAMEUX PARADOXE : «Regarder loin c est regarder tôt» La voûte céleste que l on observe la nuit est une image d un passé multiple dont les limites estimées sont de plus de 15.10^9 années. Exemple : L image du soleil met 8 minutes à nous parvenir. 3- Quelques chiffres UN seul Univers ~20.10^18 étoiles => Soleil ~100.10^9 galaxies => Voie lactée Amas galactiques => Amas local (~20 galaxies) Super-amas (plusieurs milliers de galaxies) Température moyenne de 270 C CARACTERISTIQUE DE LA VOIE LACTEE : Diamètre de la galaxie : a.l 200 milliards d étoiles Masse de la galaxie : 10^18 de masse solaire Longueur de la barre centrale : a.l Distance du soleil au centre : a/l Epaisseur de la galaxie au niveau du soleil : 2000 a.l Vitesse du soleil : 220 Km/s Période de rotation du soleil : 225 millions d années

2 4- Un univers en expansion? Loi de Hubble (1929) : Les galaxies s éloignent les unes des autres et ceci d autant plus rapidement qu elles sont éloignées. Effet Doppler-Fizeau : Observation d un décalage spectral vers le rouge des longueurs d onde de la lumière la plus élevée. Question : Expansion en continue d Univers spatialement infini et ouvert? Expansion suivie de contraction et Univers spatialement fini et fermé (BIG RUNCH)? Modèles cosmologiques théoriques d un univers homogène, isotrope, mais non stationnaire. 5- Un Univers âgé 3 approches pour dater : Mouvements des galaxies (loi de Hubble) = milliards d années Formation stellaire (brillance des étoiles) = milliards d années Radio-éléments = 15 milliards d années. II : La théorie du BIG BANG 1- principes Expliquer un univers actuel homogène, isotrope et en expansion. Nécessité de l existence d un point espace temps où les galaxies, en expansion, ne faisaient qu un dans un passé lointain. 2 POSTULATS Un univers «jeune» chaud et dense Un univers «actuel» froid et dilaté

3 2- Définition UNIVERS ORIGINEL = Corps noir, opaque, isolé thermodynamiquement. BIG BANG = - Evènement initial brutal générant un milieu très dense et très chaud, suivi d une diminution de température et d une augmentation de volume. - Création de matière évoluant dans l espace et le temps. 3- Preuves L expansion des galaxies et leur éloignement respectif Existence de bruit de fond cosmique de l événement brutal initial = le rayonnement fossile => longueur d onde très courte à 7.35 cm 4- Chronologie du BIG BANG 10^-43 seconde Rayon de l univers < 50^50 cm et T = 10^32 C Rayon de l univers = quelque cm. 10^-35 seconde Début de l inflation Super expansion 10^-6 seconde L univers à la taille de notre système solaire Arrêt de l inflation. 1 seconde T = 10^9 C Début de la nucléosynthèse 10^6 années L univers est transparent La matière libère des radiations 10^9 années Formation des protogalaxies 3.10^9 années Détection des quasars et des radiogalaxies 8.10^9 années Les galaxies et la voie lactée sont formées 13.10^9 années Formation du système solaire 5- Nucléosynthèse et évolution dans l univers La nucléosynthèse correspond à la synthèse des éléments chimiques (de leurs noyaux) au cours de l évolution de l Univers à partir du BIG BANG. L évolution de l Univers c est déroulé en 4 étapes : Phase cosmique Phase stellaire Phase interstellaire Phase planétaire

4 LA PHASE COSMIQUE : - De 0 à 1 seconde Protons (+1) et neutrons (0) sont issus de la combinaison des quarks. Présence de 5 familles de particules indépendantes très agitées : Protons Neutrons Electrons Photons Neutrinos Pas de noyaux formés, les photons les détruisent. - A partir d une seconde jusqu à 10^6 années Formation abondante de noyaux d Hélium et d Hydrogène. 1 proton => 1 noyau d H 1 noyau d H + 1 neutron => 1 noyau de Deutérium 1 noyau de D + 1 noyau de D => 1 noyau d He Période de création nucléaire appelée nucléosynthèse primordiale à base de fusion nucléaire. - A partir de 10^6 années Par capture électronique, formation abondante des atomes d hydrogènes et d héliums. Augmentation du nombre d hydrogène et d hélium, diminution d électrons. Création d un «fluide homogène» de matière. Sans entrave, la lumière peut circuler dan l univers. L univers devient transparent. Domaine des forces électromagnétiques PHASE STELLAIRE - Le rôle des forces de gravités Agrégations gravitationnelles et condensations de matières pour donner naissance aux protogalaxies. ETOILES = Zones où se condense la matière originelle par gravité et où la température est très élevée. = Réacteur à fusion nucléaire où est transformée la matière.

5 - Les étoiles Les étoiles sont classées en fonction de leur température de surface et leur luminosité. Une étoile née, croît et meurt. Au cours de leur existence, les étoiles vont évoluer dans ces domaines de température et de luminosité. Au cœur des étoiles où T = 15.10^6 C, la nucléosynthèse peut reprendre. Les étoiles de la branche principale fonctionnent en transformant les noyaux d hydrogène en noyaux d hélium. Les étoiles où l hydrogène devient rare se contractent. => Géantes et Supergéantes rouges où l hélium est transformé en carbone et en oxygène dans les enveloppes profondes. Les étoiles où l hélium devient rare se contractent. => Le carbone et l oxygène deviennent alors des combustibles stellaires qui sont transformés en de nouveaux éléments. Puis la fusion du néon, de l oxygène et du Silicium permet la formation des éléments métalliques et d éléments plus lourds. - Les étoiles : deux fins possibles Enième contraction stellaire rapide avec très forte augmentation de température au cœur des étoiles. Explosion d étoile mature et libération des éléments lourds formés dans le vide interstellaire. Evolution plus calme. Libération non brutale des produits de la nucléosynthèse des couches stellaires externes. LA PHASE INTERSTELLAIRE Les poussières interstellaires Elles remplissent l espace interstellaire et correspondent aux restes de supernova et de nébuleuses planétaires portées à quelques C. Nées de la formation d atomes légers ou lourds puis de molécules par capture électronique. Rôle indispensable de l hydrogène dans la formation de nombreuses molécules.

6 LA PHASE PLANETAIRE Les planètes Milieu dense et protecteur, à température modérée. Structures liées gravitationnellement à une étoile et qui apporte, par son rayonnement, une partie de l énergie nécessaire à une température correcte ; Conditions nécessaires à l évolution moléculaires. III : Système solaire et la Terre 1- La structure du système solaire Une étoile de la branche principale => Soleil. 4 planètes Telluriques à enveloppe solides. 4 planètes gazeuses à enveloppe gazeuses Astéroïdes entre Jupiter et Mars (loi de Bode) 2- Origine du système solaire Soleil et planète cogénétiques nés à partir d un même nuage de matière interstellaire, il y a environ 4.6Ga. ACCRETION PROGRESSIVE (1) Nébuleuse protosolaire (2) Planétésimaux Condensation des gaz et des poussières en corps volumineux. (3) Formation des planètes. Il y a un rapport d abondance de différents atomes et isotopes dans la matière interstellaire, le soleil et les planètes. 3- Les produits de condensation Ils se forment en fonction de la température régnant dans la nébuleuse protosolaire (voir dossier) 4- Les météorites du système solaire (1) Les Chondrites (80-85%) Riches en chondres. Présence d une matrice cristallisée en Fe, Ni et S. (2) Les achondrites - Achondrites basaltiques - Achondrites pauvres en Ca de Fe

7 - Achondrites à alliage Fe-Ni sidérites) Les chondrites = météorites indifférenciées «Péridotites ferreuses riches en Fe et Ca» Composition chimique de la couronne solaire et de la matière interstellaire Age de la condensation de la nébuleuse protosolaire Les achondrites = météorites différenciées Composition chimique différente de la couronne solaire et de la matière interstellaire. 5- La naissance de la terre FORMATION DE LA TERRE : durée de 200 Ma 4.6 Ga : Condensation de la nébuleuse protosolaire Ga : Création de nombreux planétésimaux (météorites et planétoïdes), accrétion et différentiation de la Terre bombardée par les météorites Ga : Différenciation de la Lune 2 modèles d accrétions pour expliquer la formation de la Terre ACCRETION HETEROGENE : Accrétions successives d enveloppes de matière interstellaire de composés chimiques variés. Différenciation synchrone à l accrétion. Planète froide ACCRETION HOMOGENE Accrétion successive de matière interstellaire de même composition chimique. Différenciation tardive des enveloppes terrestres internes. Dégazage pour former l atmosphère terrestre primitive. Planète chaude