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Cher Membre,
BULLETIN SPECIAL RESUMANT NOTRE INTERVENTION AU LYCEE MARIETTE DE BOULOGNE SUR MER Nous remercions Madame Carole Tiertant-Druvent, professeur de physique au Lycée Mariette, pour l’excellent accueil qu’elle nous a réservé. Présence de deux classes de terminale S et d’une classe Littéraire. « de l’infiniment grand à l’infiniment petit » Intervenants et résumé du sujet exposé : Jacques Duffaut présente la SAB Eric Ultré explique la formation d’une étoile (annexe 1) Robin Osstyn nous parle de la formation du Soleil (annexe 2) Eric Ultré détaille le système solaire et ses planètes (annexe 3) Jacques Duffaut fait une mise au point de la découverte des exoplanètes (annexe 4), il résume les conditions particulières qui ont favorisé la vie sur terre (annexe 5) Didier Ruffin nous donne un aperçu des distances en astronomie (annexe6), il nous parle de la Voie Lactée, des galaxies et amas de galaxies (annexe7). Gérard Bonnet qui n’a pas hérité du sujet le plus facile, nous développe un panorama complet des particules et de leurs interactions (annexe 8)
RESUME DES EXPOSES Voir le diaporama pour les photos et les tableaux,à télécharger sur notre site : ici ( réservé aux membres ) Présentation de la SAB et analyse succinte du sujet développé. (voir les dias n°1 à n°5) Annexe 1 : FORMATION D’UNE ETOILE Un modèle assez élaboré fait intervenir un nuage de gaz et de poussière assymétrique et en rotation pas trop rapide (voir dia n°7), l’effondrement de la matière au centre du nuage à lieu plus rapidement que dans le reste du nuage, soumis à une force centrifuge apparente, le nuage s’applatit, il se déforme progressivement, prend l’apparence d’une barre et donne naissance à une proto-étoile. Les interactions gravitationneles entre les régions internes et externes de la proto-étoile ralentissent la rotation des régions internes et accélèrent la rotation des régions externes. Le transfert de moment cynétique fait se contracter les régions centrales jusqu’à atteindre des densités stellaires (voir dia n°8). Si le nuage en rotation tourne plus rapidement, la densité de la barre augmente au cours de l’effondrement et se brise en un système proto-stellaire binaire (voir dia n°9). Annexe 2 : VIE ET MORT D’UNE ETOILE Une fois formée à partir d’une nébuleuse, une étoile vivra pendant plusieurs millions d’années. A sa mort, parce qu’elle a épuisé toutes ses réserves d’hydrogène une étoile commencera par enfler puis deux phénomènes peuvent alors se produire : Prenons l’exemple du soleil. (voir dia n°11 et 12). Avant tout, quelques rappels sur notre étoile : il s’agit d’une étoile de classe G (les étoiles sont réparties en classes dont les principales vont de O pour les étoiles très chaudes à M pour les étoiles très « froides ») dont la température de surface avoisine les 5000 Kelvins, elle est principalement composée d’Hélium et d’Hydrogène, elle est de couleur jaune et sa masse correspond à 99,86% de la masse totale du système solaire (sa masse est d’ailleurs utilisée comme référence pour définir la masse d’une autre étoile : on parle alors de masse solaire sachant qu’une masse solaire = 1.9891*1030 kg). Enfin, elle tient son nom du latin Sol et du Grec Hélios ( hlios).Une étoile aussi massive que notre Soleil commencera à sa mort par enfler (si bien qu’elle aura un rayon égal à la distance Soleil-Mars actuelle) : elle atteint alors le stade de géante rouge. Elle expulsera ensuite ses derniers composés avant de s’effondrer sur elle-même. Le cœur, devenu bien moins massif et refroidi, est appelé naine blanche, avant de terminer au stade de naine noire. Mais certaines fins d’étoiles sont parfois violentes. Prenons par exemple, une étoile dite géante comme Bételgeuse. (voir dia n°13). Bételgeuse est codée a-Orionis par la désignation de Bayer. Cette désignation code les étoiles selon la constellation ou elle figure (ici Orion) ainsi qu’une lettre grecque ou latine en fonction de leur luminosité dans cette constellation. Ainsi, est donné à l’étoile la plus lumineuse de cette constellation. Une fois les lettre grecques énoncées, on classe le reste des étoiles avec des minuscules, puis des majuscules latines (le maximum est Q, une étoile nommée W est une étoile dite variable et est une exception). En cas d’étoiles doubles, la désignation de Bayer leur donnera alors des indices (exemple : g1 et g2 )La particularité de Bételgeuse est d’être une étoile bien plus massive que le soleil (par comparaison, son rayon serait égal à la distance Soleil-Jupiter et sa masse est égale à 15 fois celui du soleil). Cette étoile, une fois arrivée en fin de vie, enflera tellement qu’elle sera appelée supergéante. A ce stade, l’expulsion de composés la rend très instable et elle explose. Cette explosion est très lumineuse, presque aussi lumineuse que le centre d’une galaxie : on l’appelle supernova (pluriel : supernovae). La toute première supernova fut observée en Chine à l’époque médiévale. Cette Supernova peut conduire à deux situations : L’effondrement de l’étoile sur elle-même : le cœur de l’étoile : devenu alors assez petit, se met à tourner très vite tout en émettant ses derniers composés de manière très répétitive, faisant penser à des pulsations, d’où son nom Pulsar. Un pulsar est une étoile à neutron. Son champ magnétique est donc très élevé. L’autre cas est la compression de l’étoile, dont la masse est tellement élevée et instable qu’elle donne naissance à un trou noir. Quel que soit la mort de l’étoile (naine blanche ou supernova), un nuage de composés se séparera du cœur, il s’agit de la nébuleuse qui donnera vie aux nouvelles étoiles Annexe 3 : LE SYSTEME SOLAIRE (voir dia n°15).Le système solaire est âgé de +/- 5 milliards d’années, il est né d’un nuage de gaz et de poussière comme décrit plus haut. au centre une étoile tout ce qu’il y a de plus ordinaire, notre Soleil. Autour de la nouvelle étoile subsistent des résidus de poussière en rotation. Ces résidus comportent des éléments plus lourds à proximité de l’étoile, et plus légers à mesure que l’on s’en éloigne. Les éléments lourds vont former les planètes telluriques : de Mercure à Mars. Les éléments plus volatiles vont former les géantes gazeuses : de Jupiter à Neptune. Au delà se trouve la ceinture de Kuiper et le nuage de Oort aux confins du système solaire. QUELQUES CARACTERISTIQUES PARTICULIERES DES PLANETES DU SYSTEME SOLAIRE: MERCURE (voir dia n°17).dans le système solaire : 1ème planète, distante de 57,9 million de Km soit 0,39 fois le demi grand-axe astronomique terre soleil (149,6 M km) distance Mercure – Soleil : min. -> 45,9 max. 69,7 M km diamètre : 4 878 km révolution : autour du soleil en 88 jours rotation : en 58 jours 16 heures de ces deux éléments combinés : 1 jour sur Mercure = 2 années mercuriennes densité : 5,43température : + 430°C au soleil et – 180°C à l’ombre masse : 0,055 fois la terrevolume : 0,056 fois la terre atmosphère : pas d’atmosphère ( traces He, O, Sodium, etc.) premières explorations : Mariner 10 lancée en nov. 1973, 1er passage en mars 1974 à 700 km d’altitude (3 passages en tout et plus rien depuis) VENUS (voir dia n°18).dans le système solaire : 2ème planète, distante de 108,2 million de Km soit 0,72 fois le demi grand-axe astronomique terre soleil (149,6 M km) distance Venus – Soleil : min. -> 107,4 max. 109 M km diamètre : 12 103 km révolution : autour du soleil en 224,7 jours rotation : en 243 jours rétrograde à l’inverse des autres planètesmagnétisme : pas de magnétisme propre rotation très lente densité : 5,24température : +/- 470° effet de serre très importantmasse : 0,82 fois la terrevolume : 0,86 fois la terre atmosphère : anhydride carbonique 96%, azote 3,2% + traces, nuages d’acide sulfurique condensé, orages violents (25 éclairs/s) les vents peuvent atteindre les 400 km/h dans une bande de +/- 50° de part et d’autre de l’équateur pression : 90 atmosphères à la surface de la planètepremières explorations : de très nombreuses sondes les sondes Venera (URSS) o Venera 7 en 1970o Venera 9 en 1975 les premières imageso Vega 1 et Vega 2 en route vers Halley (>1980)2 sondes Pioneer-Venus (USA) la sonde Magellan (1990) cartographie TERRE ne fait pas l’objet du présent exposé (voir dia n°19 & 20).
MARS (voir dia n°21).dans le système solaire : 4ème planète, distante de 227,9 million de Km du Soleil diamètre : 6 779 km révolution : autour du soleil en 1,88 ans = 687 rotation : en 24h61’ inclinaison de l’axe : 25,2° qui varie de façon incontrôlable (pas de lune) et bascule de 30° tous les 100.000 ans (instabilité du climat), les glaces se déplacent des pôles à l’équateur et la pression atmosphérique varie de 100 mb maxi à 5,2 mb aujourd’hui magnétisme : faibledensité : 3,94 température : -63°C ( de +32°C au sud de l’équateur à –140°C aux pôles ) masse : 0,11 fois la terre volume : 0,15 fois la terre atmosphère : CO² 95% dioxyde de carbone N² 2,7% azote 0² 0,1% oxygène H²O 0,03% eau couleur : rouge due à la présence de fer surface : présente 2 hémisphères différents, lisse au nord et fortement cratérisées au sud, séparés par une bande de volcans géants, les plus grands du système solaire : Arsia Mons, Pavonis Mons, Ascraeus Mons et surtout Olympus Mons de 21 300 m de haut. La Vallée Marineris fait elle 4000 km de long et 2 à 7 km de profondeur satellites : Phobos « peur en grec » (27 x 21 x 19 km) et Deimos « épouvante »(15 x 12 x 11 km) du nom des chevaux tirant le char du dieu de la guerre en orbite à respectivement 9 400 et 23 400 km découverts par Asaph Hall en 1877 JUPITER (voir dia n°21).dans le système solaire : 5ème planète, distante de 5,2 UA diamètres : à l’équateur 143.000 km mais 134.700 km passant par les pôles d’où aplatissement de 6%, du à la grande vitesse de rotation révolution : autour du soleil en 11,86 ans rotation : en 09h50’ à l’équateur, 09h55’ aux pôles magnétisme : 12 fois celui de la terre, pôles inversés, grande vitesse de rotation, hydrogène métallique fluide. densité : 1,3 température : -150° masse : 318 fois la terre volume : 1.320 fois la terre atmosphère : 82% H 18% He + traces méthane, ammoniac, carbone etc. couleur : provenant de l’ammoniac et du méthane lignes claires ou sombres en fonction des courants chauds et des courants froids, les nuages les plus hauts sont rouges, ensuite les blancs, puis les bruns et les plus bas sont bleutés.
tache rouge : la grande tache rouge de 12.000 x 25.000 km (2 terres) est un cyclone gigantesque, avec des vents à plus de 500 km / h, six jours sont nécessaires aux masses d’air externes pour en faire le tour, elle a été découverte par Cassini en 1665. explorations : Pioneer 10 en 1972 Pioneer 11 en 1973 Voyager 1 en 1977 Voyager 2 en 1977 Galileo en 1989 (navette) Ulysses en 1990 (navette) anneaux : découverts par Voyager i en 1979 largeur de 6 400 km, épaisseur 30 km premières observations : avec un instrument par Galilée en 1610, il identifie aussi les quatre satellites principaux . En 1630 Zucchi met les bandes en évidence. En 1664 Robert Hooke signale la présence de taches sur la surface de la planète. En 1665 Cassini découvre la grande tache rouge. Satellites galiléens : Io à 421 600 km et 3630 km de diamètre densité 3,57 Europe à 679 900 km et 3138 km de diamètre densité 2,97 Ganymède à 1 070 000 km et 5262 km de diamètre densité 1,94 Callisto à 1 883 000 km et 4800 km de diamètre densité 1,86 SATURNE (voir dia n°23, 25 & 26).dans le système solaire : 6ème planète, distante de 9,54 UA du Soleil diamètres : à l’équateur 120.000 km mais 108.000 km passant par les pôles d’où aplatissement de 10% ( 6% sur Jupiter ) 300.000 km avec les anneaux sur 1 km d’épaisseur, il y en aurait aux dernières nouvelles plus de 500 ! apparent -> 15 ‘’ à 21’’ ( +/- moitié de Jupiter ) révolution : autour du soleil en 29,46 ansrotation : en 10h13’ à l’équateur, 10h38’ aux pôles densité : 0,69 flotterait sur de l’eau ! température : -180°, rayonnement au sol 90 fois plus faible que sur terremasse : 95 fois la terre volume : 761 fois la terre atmosphère : 96% H 3% He 0,4% méthane couleur : mélange de blanc provenant de l’ammoniac et d’ocre provenant de l’hydrosulfite d’ammoniac influence également des hydrocarbures aurores boréales et australes premières explorations : Pioneer 11 en 1979Voyager 1 en 1980 Voyager 2 en 1981 Cassini lancée en 1977 arrivée en juillet 2004 ( NASA + ESA ) première observation : avec un instrument par Galilée en 1610 Huygens en 1656 avança la possibilité d’un anneau en 1656 Jean-Dominique Cassini distingue en 1675 une division au sein de l’anneau Fin du XVIIIème Herschel détermine approximativement la rotation de la planète les anneaux : (voir dia n°24). Ne sont pas solides mais composés d’une multitude depetits corps 3 principaux et 4 secondaires Reflètent plus la lumière que la planète elle-même Se renouvellent suite à des impacts avec de petits satellites URANUS dans le système solaire : 7ème planète, distante de 19,28 UAdiamètre : 51 118 km révolution : autour du soleil en 84,01 ans rotation : en 17h12’ rétrogradeinclinaison de l’axe : 97° 55’ les pôles vus de la terre sont visibles alternativement pendant 42 ans densité : 1,29température : -210° masse : 14,5 fois la terre volume : 62 fois la terre atmosphère : 83% H 15% He méthane 2% couleur : aspect bleu-vert du à la présence de méthane dans l’atmosphère, l’hydrogène et le méthane absorbent le rouge et l’infrarouge ne laissant filtrer que le vert et le bleu découverte : par William Herschel le 13 mars 1781explorations : Voyager 2 en 1986 pendant quelques heures anneaux : découverts par hasard en 1977 lors de l’occultation d’une étoile brillante à l’aide d’un télescope infrarouge de 91 cm de diamètre NEPTUNE (voir dia n°27).dans le système solaire : 8ème planète, distante de 30,14 UA du Soleil diamètre : 49 528 km révolution : autour du soleil en 164,8 ans rotation : en 16h06’ densité : 1,64 température : -220°, la planète émet trois fois plus de chaleur que celle reçue du soleil, cette énergie provenant des régions centrales masse : 17 fois la terrevolume : 58 fois la terre atmosphère : H + He + méthane vents violents ( 2000 km/h ) de convection dus à la chaleur interne de la planète couleur : aspect bleu du à la présence de méthane dans l’atmosphèreexplorations : Voyager 2 en août 1989 4 anneaux : anneau de Galle à 42 000 km du centre de la planète anneau de Le Verrier à 53 000 km anneau Arago à 57 000 km anneau d’Adams à 63 000 km découverte : Planète supposée par Alexis Bouvard en 1821, du fait des perturbations constatées dans l’orbite d’Uranus. En août 1845, Urbain Le Verrier ( le découvreur ) présente une étude qui permettra à Johann Galle de l’observatoire de Berlin de repérer la planète le 23 septembre 1846
Annexe 4 : LES EXOPLANETES Depuis le lancement du satellite européen « COROT » (voir notre bulletin n°6) les informations sur d’autres planètes affluent, au 01/08/07 on en aurait découvert 248 . La sensibilité de la caméra CCD à 0,005% près, meilleure que prévue 1,5 x la terre au lieu de 3 x la terre. (voir dia n°31 & 32). Il semblerait néanmoins que ce ne sont pas exactement les informations que l’on attendait ! Il était généralement admis que nous trouverions autour d’autres étoiles semblables au soleil des systèmes planétaires organisés un peu comme le nôtre. Or de découverte en découverte nous sommes obligés d’étendre de façon considérable le bestiaire des planètes candidates. Exemples d’exoplanètes détectées : Exo 1-b : 1,5 à 1,8 x Jupiter qui tourne en 1,5 jours autour de son étoile (Corot) Gl 436 b : 22 x la terre et densité de Uranus (La Silla) HD 189 733 b : type Jupiter chaud, tourne en 53 heures autour de son étoile, 650°C côté nuit et 930°C côté jour et vents à +/- 10.000 km/h (Spitzer) HD 149026 b : température observée : 2 000°C (Spitzer) Gj 436 : 4 x la terre aurait une surface de glace d’eau à 300°C qui serait due à une énorme pression atmosphérique. (voir dia n°33). En outre nous ne devons pas perdre de vue les étoiles doubles ou multiples qui sont légion, comment fonctionne leur système planétaire s’il en ont un ? (voir le bulletin n°23) Un autre phénomène ressort de simulations numériques pointues effectuées par les astrophysiciens Mario Juric et Scott Tremaine de l’Université de Princeton: de nombreuses planètes seraient éjectées de leur système en cours de formation. Ainsi sur 50 planètes au départ il n’en resterait que deux ou trois à l’arrivée. Plusieurs milliards de planètes erreraient dans la galaxie à des années lumières de toute étoile dans une nuit perpétuelle et des températures un peu au dessus du 0°K. .En ce qui concerne le développement de la vie, d’après Louis d’Hendecourt, astrochimiste directeur de recherche au CNRS, le chemin est très long depuis le premier acide aminé jusqu’à la première molécule d’ADN. « Le principe de médiocrité selon lequel la terre occupe une place banale dans l’univers, altère notre jugement sur les probabilités de vie ailleurs. En fait il se peut que nous soyons seuls. » (voir article Ciel & Espace de août 2007) Annexe 5 : CONDITIONS FAVORABLES A L’APPARITION DE LA VIE Inventaire des conditions à remplir pour avoir une chance de trouver une vie organisée sur une exoplanète, dans le cadre de nos connaissances actuelles (non exhaustif). (voir dia n°34 & 35). Taille de son étoile : Sa durée de vie devra être assez longue pour laisser le temps à la vie de se développer Elle ne devra être ni trop grosse (durée de vie trop courte) Ni trop petite ( généralement trop froide) De taille suffisante pour que sa gravité propre soit suffisante pour retenir une atmosphère, au contraire de Mercure ou de Mars qui ont perdu la leur. Distance : La planète devra se situer à bonne distance par rapport à son étoile Trop près elle sera brûlée 400 à 500° par ex. (Venus 470°) Trop loin elle sera glacée –200° par ex. (Pluton –230°) Rotation : Pour une bonne répartition de la chaleur reçue, il serait préférable que la planète tourne sur elle même et ne présente pas toujours la même face à son étoile. Mercure 427° le jour et –173° la nuit (rotation sidérale 59 jours) Axe incliné : Un axe incliné a pour avantage de créer des saisons qui sont très utiles au développement de la vie. Eau : Présence d’eau liquide Atmosphère : Présence d’une atmosphère non corrosive de préférence Sur Venus 95 % de gaz carbonique et pression atmosphérique équivalente à 90 fois celle sur terre Champ magnétique : Un champ magnétique est nécessaire pour éviter que le rayonnement gamma parvienne jusqu’au sol, ce champ est produit entre autre par la rotation d’un noyau de fer au centre de la planète Système planétaire : Un système planétaire stable présente de nombreux avantages Protection contre les astéroïdes et comètes (Jupiter de par sa masse protège efficacement la terre) Influence des satellites (La Lune stabilise la terre) Type de planète : Elle devra être de type tellurique et de densité +/- 3 à 5,5 (eau = 1) Mercure 5,43 - Venus 5,24 - Mars 3,94 Mais pas gazeuse Jupiter 1,33 - Saturne 0,7 - Uranus 1,3 - Neptune 1,8 Développement : La planète devra avoir terminé son développement Volcanisme atténué Croûte compacte en surface Orbite : Une orbite se rapprochant le plus possible du cercle Une ellipse fortement excentrée par rapport à l’étoile donne lieu à de très grande disparités de chaleur captée Annexe 6 : LES DISTANCES EN ASTRONOMIE Quelle est l’étoile la plus proche de la Terre ? : le Soleil. A quelle distance est-elle ? : 150 millions de kilomètres. Combien de temps met sa lumière pour nous parvenir ? : 8 minutes. Quelle est l’étoile la plus proche du Soleil ?: Proxima du Centaure. (voir dia n°37). Quelle est sa distance ?: 4,3 années-lumière (4,3x 10.000 milliards de kilomètres) Pouvons–nous la voir à Boulogne ?: non, elle n’est visible que depuis l’hémisphère sud. Quelle étoile proche pouvons-nous voir ? : Sirius , située à 8,7 années-lumière (al) c’est la plus brillante de notre ciel. Réduisons le Soleil et Proxima du Centaure à la taille de deux pamplemousses, plaçons celui qui représente le Soleil au pied de la tour Eiffel, où mettriez vous l’autre fruit ? (en respectant les proportions) : au Canada… Le vide prédomine à l’échelle stellaire. Annexe 7 : LES GALAXIES LA VOIE LACTEE (voir dia n°39). Les étoiles que nous voyons dans le ciel appartiennent à la Voie Lactée, cette bande laiteuse est particulièrement visible dans le triangle d’été. Galilée a compris le premier qu’il s’agissait de milliards d’étoiles . Il a pu le vérifier en utilisant sa lunette astronomique vers 1610. Elle est composée de plus de 100 milliards d’étoiles et son diamètre est d’environ 100.000 al. Une galaxie contient beaucoup d’étoiles et d’énormes nuages interstellaires, où se forment les étoiles. Le Soleil (et nous) se trouve à 26.000 al du centre galactique, nous sommes des banlieusards de la Voie Lactée… Notre galaxie effectue des rotations différentielles : la zone centrale (comme un solide) tourne plus vite que le reste qui semble respecter les lois de Kepler. Notre soleil (et nous) fait son grand tour de manège en 240 millions d’années. Quel fut le phénomène marquant lors de son précédent passage ? : les dinosaures… Notre univers est composé de milliers de milliards de galaxies (pour certains : de milliards de milliards). Deux milliards d’années après le Big-Bang, lors de leur formation, les galaxies ont pris des formes différentes les unes des autres. La formation des galaxies demeure en partie énigmatique, on sait qu’au départ elles sont constituée d’un gigantesque nuage de gaz, essentiellement de l’hydrogène et de l’hélium dont les noyaux atomiques ont été crées durant les trois premières minutes de l’univers. Ces nuages s’effondrent (se contractent) sous l’effet de la gravité et se fragmentent en centaines de milliards de boules gazeuses d’où naîtront les étoiles. LES DIFFERENTS TYPES DE GALAXIES Les elliptiques et lenticulaires (ex. la galaxie du Sombrero) (voir dia n°44).représentent 25 % de la population galactique .Elles ont en commun d’avoir transformé rapidement, en un milliard d’années, toutes leur masse gazeuse en étoiles. Les elliptiques accidentelles Il arrive que des galaxies s’attirent et se rencontrent, les étoiles très éloignées les unes des autres n’entrent pas en collision, mais se regroupent par gravité, il en résulte une grosse galaxie centrale qui prend une forme elliptique. Les Spirales et Spirales barrées (voir dia n°40 & 41). Elles sont de masse plus homogène et représentent 60 à 65 % des galaxies. Au centre le bulbe : étoiles assez vielles et souvent un énorme trou noir. Dans les bras spiraux : mélange de gaz et d’étoiles jeunes massives. Les irrégulières Environ 10 % Elles sont trop petites pour être des spirales. Questions Connaissez-vous une galaxie proche…de la notre ? la galaxie d’Andromède (2,2 millions d’al). Elle est facile à trouver avec des jumelles. (voir dia n°43). Il y a aussi les nuages de Magellan , visibles seulement de l’hémisphère sud. DISTANCES GALACTIQUES La voie Lactée et la galaxie d’Andromède sont deux pizzas de 50 cm de diamètre, à quelle distance les placez-vous l’une de l’autre ? : 10 mètres seulement. Amas ou groupe Local (voir dia n°46 & 47). Les galaxies se regroupent au sein d’amas. L’Amas Local contient 25 galaxies réparties dans un volume dont le diamètre est d’environ 4 millions d’années-lumière, on y trouve la Voie Lactée (notre galaxie) la galaxie d’Andromède, M33 (dans la constellation du Triangle) les nuages de Magellan etc. La galaxie d’Andromède se rapproche de nous, la collision est prévue dans 10 milliards d’années : le Soleil sera déjà mort et la Terre …n’en parlons pas ! Notre Amas Local fait partie du super Amas de la Vierge dont le diamètre avoisine les 10 millions d’années lumière. La région centrale des supers amas est généralement occupée par une galaxie monstrueuse dont la masse équivaut à plusieurs centaines de galaxies. L’univers des galaxies (voir dia n°48). Des observations récentes ont montré, que non seulement les galaxies se regroupent en amas, mais ces amas et supers amas s’enchaînent en filaments, cette structure est le reflet de celle du gaz de l’univers primordial, lorsque la matière se forma, peu après le Big-Bang. NOTRE ADRESSE GALACTIQUE Planète Terre Troisième orbite dans le système solaire Etoile nommée Soleil Galaxie :Voie Lactée Groupe Local de Galaxies Super Amas de la Vierge. QUELQUES VITESSES La Terre tourne : Boulogne se déplace à 0,3 kilomètres par seconde soit : 1000 km / h La Terre se déplace autour du Soleil à la vitesse de 30 km / sec : 100.000 km / h. Le Soleil dans la Voie Lactée tourne à 220 km / sec. Annexe 8 : LES PARTICULES (voir dia n°50 à 53).INTRODUCTION Pour expliquer ce qui se passe autour de vous dans la nature, il faut étudier les forces en présence. Elles sont actuellement au nombre de quatre. Les physiciens espèrent réussir à les unifier en une force dite « M » ou du Grand Tout (Stephen Hawking) mais ce n’est pas le cas à ce jour. Ces quatre forces sont : la gravitation l’interaction électromagnétique l’interaction nucléaire forte l’interaction nucléaire faible en allant de l’infiniment grand à l’infiniment petit. (voir tableaux) LA GRAVITATION Interaction fondamentale dont la sensation est directe et permanente. Son effet le plus immédiat : la pesanteur, soit le poids des corps matériels. Depuis Newton en 1687 : la Lune tombe sur la terre comme une pomme, même effet de la gravitation universelle. La pesanteur et les mouvements des corps célestes sont le résultat d’une même cause : LA GRAVITATION UNIVERSELLE formule : charge gravitationnelle crée pour une masse M en kg à une distance d en mm G = 6,67 x 10 –11 x M / d² la force d’attraction subie par une masse M en kg F = M x G en 1915, Einstein démontre le principe d’équivalence entre une accélération constante et un champ gravitationnel. La théorie de la Relativité Générale explique tout sauf à petite échelle : il faudra élaborer une théorie quantique de la gravitation. La gravitation est la plus faible des 4 forces : ex. : 2 personnes de 80 kg à 1 m de distance exercent entre elles une force de 4 millionièmes de gramme. Elle s’applique à toute forme d’énergie E = m c² même une particule de masse nulle subit la gravité. Les physiciens ont déjà baptisé GRAVITON la particule responsable…si elle existe ! Manifestations : pesanteur g = 9,81 m s-2, apesanteur, retenue de l’atmosphère terrestre, mouvement des planètes, marées, force centrifuge, formation des galaxies, des planètes, des étoiles, déclenchement des réactions nucléaires dans les étoiles. L’INTERACTION ELECTROMAGNETIQUE Elle a les effets les plus fréquents dans la vie courante. En 1860 MAXWELL unifie l’électricité dynamique avec le magnétisme, les équations toujours utilisées à notre échelle non quantique, il comprit que la lumière était un cas particulier d’onde électromagnétique. En 1880 HERTZ met d’autres ondes en évidence : les ondes de télécommunications. Il découvrit aussi l’effet photoélectrique (expulsion d’électrons d’un métal par la lumière) ce qui permit à Einstein en 1905 de montrer que la lumière est aussi constitué de particules : les photons. Cette dualité de la lumière permit aux physiciens d’élaborer la physique quantique. L’interaction électromagnétique s’applique à toute particule possédant une charge électrique non nulle « + » ou « – » . La particule vecteur de l’interaction électromagnétique est le photon ( 300.000 km/sec) ayant une masse nulle, il permet une distance infinie avec une diminution de l’intensité. Manifestations : à l’origine de l’existence des atomes en liant le noyau à l’électron, des molécules (solides, liquides ou gaz), de la vie en général, et aussi des sens (goût, toucher, ouïe, etc.) Autres manifestations : électrostatiques, électriques et magnétiques ( les ondes radio, la télévision, le téléphone, le micro-onde, etc.). La plus courante : la lumière visible. L’INTERACTION FORTE Confinée à l’intérieur des noyaux atomiques. Le noyau de l’atome est connu depuis 1911 (Rutherford) et 20 ans plus tard furent découverts les neutrons et les protons. Il fallait donc inventer la force nucléaire, car les deux autres forces ne pouvaient expliquer la cohésion de ces particules. En 1935 la force nucléaire est définie par l’interaction entre protons et neutrons par l’intermédiaire d’une particule massive : le pion. En 1964 furent découverts les quarks composant les neutrons et les protons. Vers les années 1970, une nouvelle théorie, la dynamique quantique, expliqua comment l’interaction forte lie les quarks entre eux. Les quarks possèdent une « charge de couleur » (comme les particules possèdent une charge électrique), 2 quarks interagissent en échangeant leur couleur par l’intermédiaire d’une particule sans masse : le gluon. Le gluon échangé porte une charge de couleur qui lui permet d’interagir avec un autre gluon, (ils sont au nombre de 8). Sans masse le gluon se déplace à la vitesse de la lumière. L’interaction forte lie les quarks entre eux, des neutrons - protons, qui sont des hadrons. Elle augmente avec la distance ce qui la différencie des 2 autres forces. Les électrons, photons et neutrinos ne sont pas des hadrons et sont donc insensibles à l’interaction forte. Manifestations : existence de l’atome, donc de la matière ; réactions thermo nucléaires dans les étoiles (H2 -> hélium + photons, voir graphique) Production d’énergie propre (centrales) ou sale (armement). Casser des noyaux est beaucoup plus énergétique que de casser des molécules. L’INTERACTION FAIBLE Confinée à l’intérieur des noyaux atomiques. En 1896 Becquerel découvre la radioactivité bêta - -> un électron émis En 1933 Pierre et Marie Curie la radioactivité bêta + -> un antiélectron émis L’interaction faible s’applique aux particules telles que les quarks, les électrons, les neutrinos etc. Interaction faible par courant chargé : les particules vecteurs sont les W+ et W- qui ont une charge électrique égale à la charge de l’électron l’un + l’autre -Interaction faible par courant neutre : particules Z0 de charge électrique nulle.Les particules W et Z sont instables, de courte durée de vie et sont de masse importante, 85 et 97 fois celle d’un proton. Manifestations : radioactivité bêta, ex. : le carbone 14 : utile pour évaluer l’age d’objets archéologiques jusqu’à 50.000 ans, le potassium 40 présent dans l’eau de notre corps, il y a 400 millions de désintégrations par jour de radioactivité béta du K40, dans les étoiles, production de deutérium, par fusion de 2 atomes d’hydrogène (en utilisant la désintégration bêta d’un des 2 noyaux d’hydrogène) avec production de neutrinos. 100 mille milliards de neutrinos traversent notre corps en une seconde ! L’UNIFICATION DES INTERACTIONS Le modèle standard : regroupe la théorie électrofaible et la chromodynamique quantique contient l’interaction électromagnétique l’interaction faible l’interaction forte Il faudrait découvrir une particule : le boson de Higgs, pour pouvoir unifier la théorie électrofaible La gravitation expliquée par la Relativité Générale n’est pas une théorie quantique. Les recherches vont vers : la super symétrie la théorie des cordes les super cordes elles pourraient intégrer la gravitation à la physique des particules elles seraient les limites d’une théorie sous-jacente, la théorie M ou théorie du tout. NB : les interactions fondamentales sont le résultat d’un échange de particules de rayonnement entre des particules de matière.
APPORT DE LA PHYSIQUE DES PARTICULES A L’ASTRONOMIE La physique des particules amène à comprendre : pourquoi le soleil brille ? -> voir fusion nucléaire pourquoi les étoiles en fin de vie atteignent des densités non comprise par la physique dite « normale » ? o naine blanche où la compression des électrons va jusqu’au principe d’exclusion de Wolfgang Pauli.Comparaison : un éléphant tiendrait dans le volume d’une cuillère à soupe ! o étoile à neutrons encore plus denseComparaison : un milliard d’éléphant dans une cuillère à soupe ! pourquoi un trou noir s’évapore par émission de particules ?
RECHERCHE Recherche d’une particule responsable de la matière noire qui représente 90
%de la matière de l' univers. 16% de matière baryonique (ordinaire) 84% de matière exotique dont on recherche la particule : neutralinos ou wimps En conclusion:les chercheurs fondent beaucoup d'espoir dans le LHC
pour mettre en évidence les particules: Bosons de Higgs ,wimps et autres qu'ils
ont décelées théoriquement . « CERN» (voir dia n°54).« Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire » Laboratoire européen pour la physique des particules Création : 1952 implanté à Meyrin ( frontière franco-suisse ) à 70 mètres sous terre Composé d’un ensemble d’accélérateurs ou de collisionneurs de particules : le LEP (1989-2000) collisionneur d’électrons – positrons le LHC (prévu pour été 2008) collisionneur de hadrons d’un coût de 2 milliards € But : reconstituer en laboratoire l’état des particules pendant le « Big-Bang » lorsque les quatre forces fondamentales ( faible, forte, électromagnétique et gravitationnelle ) étaient unifiées. Les physiciens cherchent par ce biais a réconcilier la physique einsteinienne avec la mécanique quantique incompatibles à l’heure actuelle. Expérience ALICE : pour A Large Ion Collider Experiment Par la collision à très grande vitesse de noyaux d’atomes de plomb ( constitués de protons, de neutrons, formés de quarks et dont la cohésion est assurée par des gluons )
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