HISTOIRE D'UN GRAND VOYAGE DANS LE COSMOS

Non, il ne s’agit pas du récit d’une nouvelle odyssée de l’espace (ni odyssée de l’espèce !) mais d’une étude détaillée de notre Univers.
Le document complet intitulé « Plongée dans l’univers », accessible par le lien : « Plongée dans l’Univers » comporte trois approches complémentaires de l’Univers : une approche descriptive et géométrique est donnée par l’astronomie, une approche physique des astres et des objets stellaires est fournie par l’astrophysique, et une approche globale du fonctionnement de l’Univers est apportée par la cosmologie.

L’Astronomie

Après avoir revisité l’histoire de l’astronomie, le document aborde chacune des matières de cette science selon qu’elles s’intéressent aux différentes formes d’astres (solaire, planétaire, galactique ou extragalactique) ou aux techniques d’observation (spectroscopie, radioastronomie, infra-rouge, optique, ultra-violet, rayons X, rayons gamma, ondes gravitationnelles et neutrinos) sans oublier les différents types de télescopes. Enfin, on trouvera un bref résumé de l’exploration spatiale.

L'astronomie de position est l'étude des positions des objets célestes. C'est la plus vieille branche de l'astronomie, elle remonte à l'Antiquité. Les deux principaux outils utilisés sont les repères astronomiques (équatorial, écliptique, et galactique), et la mesure des distances : plusieurs concepts et unités sont abordés (notion de parallaxe, Unité Astronomique, Parsec), ainsi que le système astronomique d’unités.

Des sciences interdisciplinaires sont évoquées, comme par exemple l'astrobiologie (ou exobiologie) qui étudie l'apparition et l'évolution des systèmes biologiques présents dans l'univers ; l'archéoastronomie qui étudie les astronomies anciennes et traditionnelles dans leurs contextes culturels, en utilisant des preuves archéologiques et anthropologiques ; l'astrochimie qui étudie les substances chimiques trouvées dans l'espace, généralement dans les nuages moléculaires, ainsi que leur formation, leurs interactions, et leur destruction; la cosmochimie qui étudie les substances chimiques trouvées dans le système solaire, y compris l'origine des éléments ainsi que les variations dans les rapports isotopiques.

Le volet consacré à l’astronomie se termine par une description rapide des différents catalogues (étoiles, galaxies, les 88 constellations). Quelques indications sommaires sont fournies pour le repérage des principales constellations (la grande ourse, la petite ourse, Pégase, Cassiopée, Andromède, Orion, etc.), pour se terminer par une rapide incursion dans le zodiaque.

L’Astrophysique

Cette science comporte plusieurs disciplines : la planétologie qui est la science de l'étude des planètes, l’histoire abrégée de la physique stellaire, l'héliosismologie qui étudie les mouvements sismiques du soleil, l'astérosismologie qui étudie les mouvements sismiques (aussi appelées oscillations) des étoiles autres que le soleil, l’étude du milieu stellaire, l’histoire de l’étude du système stellaire, l’étude du plasma astrophysique, et la physique galactique.

L’astrophysique fournit une description physique des étoiles et des systèmes stellaires, en étudiant les caractéristiques des étoiles (masse, âge, diamètre, composition chimique, magnitude, température et couleur, vitesse de rotation, spectre radiatif, et champ magnétique).

Ensuite, on examine la structure des étoiles (noyau, zone radiative, zone convective, photosphère, couronne), ainsi que le théorème de Vogt-Russell (il stipule que la structure d'une étoile en équilibre hydrostatique et thermique avec toute l'énergie issue des réactions nucléaires est déterminée de façon unique par sa masse et la distribution des éléments chimiques).

On étudie également l’évolution des étoiles (formation, séquence principale, fin d’une étoile) avec le diagramme de Hertzsprung-Russell qui est un graphique dans lequel est indiquée la luminosité d'un ensemble d'étoiles en fonction de leur température effective ; Ce type de diagramme a permis d'étudier les populations d'étoiles et d'établir la théorie de l'évolution stellaire.

Une classification des différents types d’étoiles est présentée (protoétoiles, étoiles variables de type T Tauri, sous-naines, naines brunes, naines rouges, naines jaunes, naines blanches, naines noires, étoiles blanches de la séquence principale, sous-géantes, géantes rouges, géantes bleues, supergéantes (rouges, bleues et blanches), céphéides, hypergéantes, étoiles à neutron, pulsars, supernovas, étoiles de type Wolf-Rayet, hypernovas, trous noirs, et sursauts gamma).

De même y figure une classification des systèmes stellaires (systèmes binaires et multiples, amas, superamas, associations, galaxies, quasars, blazars, nébuleuses).

Les constellations sont des ensembles d'étoiles dont les projections sur la voûte céleste sont suffisamment proches pour qu'une civilisation les relie par des lignes imaginaires pour créer une forme quelconque. L’« emboitement » des objets célestes, du plus proche de nous au plus éloigné est illustré : la terre, le système solaire, le voisinage interstellaire, la voie lactée, le groupe local, le superamas de la Vierge, les superamas de galaxies, l'Univers observable).

La voie lactée est ensuite présentée en détail (formation, grandeur et masse, composition, structure, position et voisinage du soleil, rotation, environnement, et vitesse).

Ensuite, nous abordons la description du soleil (caractéristiques générales, grandes dates, formation, évolution ainsi que sa structure et son fonctionnement). Enfin nous décrivons l’organisation du système solaire (formation, évolution, composition, masses, localisation du voisinage, etc.).

La fin de ce volet sur l’astrophysique est consacrée à l’exploration humaine du système solaire, avec en particulier la mention de l’ISS (International Space Station).

La Cosmologie

Pour comprendre le fonctionnement de l’univers de façon globale, on a recours à des modèles cosmologiques (une courte liste des modèles existants est fournie).

Le modèle standard de la cosmologie (ou modèle ΛCDM) est le nom donné au modèle cosmologique qui décrit à l'heure actuelle de la façon la plus satisfaisante les grandes étapes de l'histoire de l'Univers observable ainsi que son contenu actuel tels qu'ils sont révélés par les observations astronomiques. Dans ce modèle, le contenu matériel de l’Univers est « constitué » de cinq composantes : la matière baryonique, le fond diffus cosmologique, le fond cosmologique de neutrinos, la matière noire et l’énergie sombre. En termes de proportion, l'Univers est composé de 4,9 % de matière ordinaire, 26,8 % de matière noire et 68,3 % d'énergie sombre.

Quelques ordres de grandeur de l’Univers sont présentés (la limite de l'Univers observable est estimée à 45 milliards d'années-lumière, 30 000 milliards de milliards pour le nombre d'étoiles, la masse de l'Univers observable est estimée à 1,4×1024 masses solaires, le Big Bang s'est produit il y a environ 13,819 milliards d'années).

Des considérations sont faites sur la forme de l’Univers (géométrie et courbure) ; la courbure spatiale nulle décrit un Univers plat (géométrie d’Euclide), la courbure spatiale positive caractérise un Univers fermé (géométrie sphérique), et la courbure spatiale négative caractérise un Univers ouvert (géométrie hyperbolique).

Pour comprendre l’Univers dans l’infiniment petit, il a été nécessaire de faire quelques rappels sur la physique des particules (avec là aussi son modèle standard de la physique des particules). Elle est bâtie sur le triptyque particule, force, médiateur, c'est-à-dire qu'elle distingue des familles de particules par les forces auxquelles elles sont sensibles, chaque force s'exerçant au moyen de médiateurs échangés par les particules qui y sont soumises. Ces médiateurs sont connus comme étant des bosons, alors que les particules constituant la matière sont appelés fermions (quarks et leptons). En 2016, dix-neuf paramètres libres pour décrire les masses des trois leptons, des six quarks, du boson de Higgs et huit constantes pour décrire les différents couplages entre particules. En physique des particules, l'antimatière est l'ensemble des antiparticules qui ont la même masse et le même spin, mais des charges, nombres baryoniques et nombres leptoniques opposés aux particules ordinaires.

La gravitation, l'une des quatre interactions fondamentales qui régissent l'Univers, est l'interaction physique responsable de l'attraction des corps massifs : les modélisations de Galilée, Newton, et Einstein sont expliquées. La relativité générale est une théorie de la gravitation qui a été développée par Albert Einstein entre 1907 et 1915 ; quelques développements sont présentés sur cette théorie ainsi que la relativité restreinte, les ondes gravitationnelles et les trous de ver qui formeraient un raccourci à travers l'espace-temps.

Le Big Bang (« Grand Boum ») est un modèle cosmologique utilisé par les scientifiques pour décrire l'origine et l'évolution de l'Univers. De façon générale, le terme « Big Bang » est associé à toutes les théories qui décrivent notre Univers comme issu d'une dilatation rapide.

L'histoire de l'Univers décrit l'évolution de l’Univers en s’appuyant sur la théorie scientifique du Big Bang et les recherches en cosmologie et astronomie. La succession des différentes phases de l’Univers depuis le Big Bang est listée (Univers primordial, ère de Planck, ère de la grande unification, fluctuation du vide quantique, ère électrofaible, grande inflation cosmique, inflation éternelle, réchauffement, baryogénèse, brisure de supersymétrie, ère des quarks, ère hadronique, ère des leptons, ère des photons, nucléosynthèse, âges sombres, formation des structures stellaires, formation des étoiles, formation des galaxies, formation de notre système solaire, expansion de l’Univers, expansion du temps, et accélération de l’expansion).

A la fin de l’ère des photons, il y a le fond diffus cosmologique qui est le nom donné à un rayonnement électromagnétique très homogène observé dans toutes les directions du ciel et dont le pic d'émission est situé dans le domaine des micro-ondes .Anticipé dès 1948 et découvert par hasard en 1964, ce rayonnement fossile a été émis environ 380 000 ans après le Big Bang, lorsque l'Univers observable était à la fois beaucoup plus petit, dense et chaud. Dilué et refroidi par l'expansion de l'Univers, il possède désormais une température moyenne très basse, de l'ordre de 3°K. Le fond diffus cosmologique correspond à la plus vieille image électromagnétique qu'il est possible d'obtenir de l'Univers.

Le destin de l’Univers peut être modélisé par plusieurs scénarios : un Univers en expansion continue, un Big Freeze (mort thermique de l’Univers), un Big Crunch (sorte de Big Bang à l'envers), un Big Rip (grande déchirure en français), un Big Bounce (alternance entre Big Bang et Big Crunch).

Une frise chronologique illustre les évolutions passées et futures de l’Univers.

Une autre modélisation est possible en cosmologie, elle est basée sur des modèles de multivers ou Univers multiples ; La « théorie des mondes multiples » présentée et développée dans les années 1950 par le physicien américain Hugh Everett constitue une tentative de résolution du problème de la superposition des états quantiques (cf. le chat de Schrödinger ; la théorie quantique autorise un chat à être à la fois mort et vivant).

Enfin il est très difficile de concilier les théories qui traitent de l’espace infiniment petit et celles qui traitent de l’espace infiniment grand : le mariage entre la physique des particules (et mécanique quantique) et la relativité générale n’est pas complètement acquis aujourd’hui ; En physique fondamentale une théorie de grande unification, encore appelée GUT (pour Grand Unified Theory en anglais) est un modèle de la physique des particules dans lequel les trois interactions de jauge du modèle standard (électromagnétique, nucléaire faible et nucléaire forte) se fusionnent en une seule à hautes énergies. L'unification de la gravité avec les trois autres interactions fournit ce qu’on appelle la théorie du tout. Des outils sont utilisés pour formaliser cela : la théorie des cordes, qui utilise des branes, ou p-branes, qui sont des objets étendus, dynamiques, possédant une énergie sous forme de tension sur leur volume d'univers, qui est une charge source pour certaines interactions de la même façon qu'une particule chargée, telle l'électron par exemple, est une source pour l'interaction électromagnétique. Pour aller plus loin, Il existe également les cinq théories des super-cordes qui reposent sur un espace à 11 dimensions (dix spatiales et une temporelle), modélisées comme des vibrations de minuscules cordes supersymétriques.

La gravitation quantique à boucles (Loop Quantum Gravity en anglais) est une tentative de formuler, sans espace de référence, une théorie de la gravitation quantique, et donc de tenter d'unifier la théorie de la relativité générale et les concepts de la physique quantique.

En physique théorique, une théorie de jauge est une théorie des champs basée sur un groupe de symétrie locale, appelé groupe de jauge, définissant une « invariance de jauge ». L'expression « invariance de jauge » a été introduite en 1918 par le mathématicien et physicien Hermann Weyl. La théorie de jauge classique U(1), s'identifie à la théorie électromagnétique de Maxwell. C'est une théorie abélienne, qui admet des extensions non-abéliennes intéressantes appelées théories de Yang-Mills, basées sur les groupes non-abéliens SU(n). Après quantification, deux des théories de Yang-Mills constituent l'actuel « modèle standard » de la physique des particules : 1-le modèle électro-faible de Glashow, Salam et Weinberg est basé sur le groupe U(1) x SU(2) et décrit de façon unifiée l'électromagnétisme et l'interaction nucléaire faible ; 2-la chromodynamique quantique est basée sur le groupe SU(3), et décrit l'interaction nucléaire forte entre les quarks et les gluons.

L'Univers de Milne ou modèle de Milne est un ancien modèle cosmologique proposé par Edward Arthur Milne. Il est classiquement interprété comme étant la limite d'un Univers en expansion quand la densité de matière devient négligeable devant la densité critique. Du fait que l'Univers de Milne est essentiellement vide de matière, il peut être décrit dans le seul cadre de la relativité restreinte, sans avoir à utiliser la machinerie plus complexe de la relativité générale. L'Univers de Dirac-Milne est un modèle basé sur l'univers de Milne complété de résultats de Paul Dirac sur l'antimatière, postulant l'existence pour ces particules de masse négative, donc de répulsion gravitationnelle (antigravité). Ce modèle, qui peut se passer de la matière et l’énergie noires est notamment impulsé par le physicien français Gabriel Chardin mais minoritaire dans la communauté scientifique ; il est cependant en cours d'expérimentation et la principale difficulté en est la mesure de l'interaction extrêmement ténue de la gravitation pour des particules atomiques comme le positron.

Pour compléter cette vision par les modèles cosmologiques, un paragraphe est consacré aux Recherches et découvertes de Stephen Hawking : le rayonnement de Hawking, les mini trous noirs, l’entropie des trous noirs, la perte d’information dans un trou noir, les trous de ver, la flèche du temps et l’univers sans bord, la théorie de l’inflation, une nouvelle théorie sur les trous noirs. Le modèle de Hartle-Hawking, nommé d'après James Hartle et Stephen Hawking aussi appelé modèle d'Univers sans bord, est une proposition concernant l'état de l'univers avant l'ère de Planck.

Pour conclure, un paragraphe est consacré à la notion de temps en cosmologie et le document se termine par une brève histoire de la cosmologie, et par un texte consacré à la cosmologie religieuse.

À la fin de ce document, figure un glossaire constitué d’un lexique des concepts et des liens Internet d’articles qui indiquent les sources de ce document (le plus souvent wikipedia) et donnent ainsi la possibilité pour le lecteur d’aller plus loin. Il est également possible pour approfondir, de regarder des vidéos didactiques sur You Tube qui est bien documenté sur les différents concepts. Une liste des principaux conférenciers et auteurs de référence figure en dernière annexe. La table des matières permet d’avoir une vue d’ensemble du document. 

Biographie de l'auteur

Christian Lécuyer est Ingénieur des mines, diplômé de l’École Polytechnique (1971) et de Télécom Pari (ex ENST) (1976). Contact : christian.lecuyer22@gmail.com 

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