UNIVERS (1ère partie)

   Issu du Big bang, l'Univers est un monde de matière, infiniment grand, constitué de particules. Composé d'amas de galaxies, sa structure est homogène et isotrope à grande distance. C'est un tout. Le cosmos est constitué d'étoiles et de gaz rassemblés au sein de galaxies qui se regroupent en amas. A l'intérieur se côtoient les particules, protons et autres neutrons. Il est constitué à 75% d'hydrogène.  Les distances sont en années-lumière ou en parsecs. Selon sa densité, la constante cosmologique et la constante de Hubble, il finira dans un infini limité, après la disparition de la dernière particule. 

mise à jour le 4/10/00  : § 6 - l'eau
                  le 25/02/03: § 9 à 28 - premières lueurs et dernières mesures


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1 L' Univers a-t-il un sens ? 2 STRUCTURE 3 Densité 4

énergie du vide

5 Rayonnement 6 eau dans l'univers 7 En remontant le temps 8 Durée de vie
9 Les premières lueurs selon WMAP 10 Age et répartition de l' Univers 11 Découverte du rayonnement fossile 12 Rappel de la théorie

la galaxie de la Roue du Chariot
la galaxie de la Roue du Chariot

 2e partie.

  1. L' Univers a-t-il un sens ?

    L' Univers, c'est la totalité, ce qui suppose qu'il y en qu'un. C'est un tout. S'il y en a deux, l' Univers est la somme. Nous parlerions de 2 mondes. Si l'homme est le but de l'univers, l' Univers n'a plus de but, car il est atteint. Finalement, la question du sens de l' Univers est une question de foi et non de connaissance.  

      Si l' Univers scientifiquement défini avait un sens, nous ne pourrions pas le savoir, ce sens étant extérieur à l' Univers connaissable. Aussi, un sens de l' Univers n'est pas une idée scientifique.                                   

André Comte-Sponville C&E n° 249 (juillet 1990).

  1. Structure

    L' Univers ou cosmos est homogène et isotrope. Le cosmos représente tout ce qu'il contient. L' Univers présente des structures à tous les niveaux:

  1. Satellites autour des planètes

  1. Lune autour de la Terre (400 000 km ou 1,5 secondes - lumière ).

  2. Phobos et Deimos autour de Mars.

  3. Io, Callisto, Europe, Ganymède etc... autour de Jupiter.

Une soixantaine de satellites dénombrés à ce jour dans le Système solaire, sans compter la multitude de nouveaux objets trouvés autour de Jupiter et de Saturne.

  1. Planètes ou autres objets autour des étoiles

  1. 9 planètes dans le Système solaire.

  2. Astéroïdes

  3. Comètes.

  4. Objets de Kuiper dans le Système solaire.

  5. Nuage de Oort dans le Système solaire.

  6. Naines brunes .

  7. Exoplanètes ( 122 découvertes à ce jour (juin 2004) ).

   L'unité de distance, dans ce cas, est souvent : l' UNITÉ ASTRONOMIQUE ( UA ) qui est l'équivalent de la distance Terre - Soleil, soit: 150 millions de km ou bien 8 minutes-lumière.

   Lorsque la distance en UA devient grande (>1000) est plus souvent utilisé l'année-lumière (al ), soit:

   9 500 milliards de km ou 6,3 millions d' UA . C'est l'appellation  de distance qui  prévaut dans l'Univers du Grand Public, les professionnels préférant le Parsec  (parallaxe par seconde d'arc)= 3,26 al.

Pluton - Soleil à 6 milliards de km , soit 30 à 40 UA ou bien 5 heures-lumière.

Proxima du Centaure - Soleil: 4,22 al.

  1. Étoiles groupées en galaxie

M31, la galaxie, d'Andromède
M31, la galaxie, d'Andromède

Le grand Nuage de Magellan
Le grand Nuage de Magellan

  1.   10 milliards, ou plus, d'étoiles dans une galaxie.

  2.    Dans notre galaxie, la Voie Lactée, il y en a 100 à 400 milliards, selon les estimations . Son diamètre est de 100 000 al et peut englober les nuages de Magellan, selon que l'on tient compte de la matière sombre ou pas, ce qui accroît son diamètre. Le Soleil se trouve à 30 000 al du centre et à 50 al au-dessus du plan. Son épaisseur est de 30 000 al.

   Nos sœurs, les Nuages de Magellan ( photo de droite: le Grand Nuage de Magellan ) sont à 180 000 al de nous.

   Notre voisine , photo de gauche, la galaxie d' Andromède ( M31 ) se trouve à 2,6 millions al. Elle compte 200 milliards d'étoiles.

   La mesure des distances s'effectuent le plus souvent en parsec, kilo-parsec ou méga-parsec (voir ci-dessus).

  1. Galaxies groupées en amas galactique.

  Il y a des milliers de galaxies dans un amas. Nous sommes dans l'Amas Local. L'expansion des galaxies n'apparaît qu'au-delà de l'Amas local, lorsqu'elle se distingue des vitesses locales des galaxies.

    Attention, ne pas confondre amas globulaire et amas galactique. L'amas globulaire est une concentration d'étoiles que l'on trouve souvent en périphérie des galaxies. L'amas galactique est un regroupement de galaxies.

  Il a été recensé 10 000 amas dans l'hémisphère Nord.

retour à HCG87M3

  1. Amas groupés en Super-Amas.

   Des centaines d' amas forment un super-amas

  1. La taille d'un super-amas est de 30 Mpc (mégaparsec)= 100 millions d' al soit 2 suivi de 21 zéros en km.

  2. Distance entre les super-amas :>> 100 Mpc.

  L'analyse de la lumière, que nous envoient les étoiles des super-amas, nous apprend qu'ils s'éloignent de nous.

    La loi de Hubble ( astrophysicien ) nous apprend qu'un observateur placé dans un super-amas verra les autres s'éloigner de lui à une vitesse proportionnelle à leur distance.

  1. Grand Attracteur

   Nous sommes dans le Super-Amas Local. Il se déplace à 600 km/s vers le GRAND ATTRACTEUR . Ce serait une concentration importante de super-amas.

  DÉCOUVERTE

   Un des plus importants super-amas de galaxies a été découvert en 1996. Il regroupe 22 amas au sud du Verseau et s'étend sur 1 milliard d'années-lumière. Son noyau renferme à lui seul 6 amas et représente une densité égale à 200 fois celle des amas de galaxie.

Dans l'espace, la Terre est insignifiante, perdue à l'intérieur d'immenses structures emboîtées les une dans les autres.

Dans le cosmos, la Terre est insignifiante, perdue à l'intérieur d'immenses structures emboîtées les une dans les autres.

  1. Hyper-Amas

   La plus grande structure, identifiée dans les Poissons et la Baleine, représente un immense filament de 1 milliard d'années-lumière.

  1. Au-delà

   Aux échelles supérieures au 1 milliard d'années - lumière, l' univers apparaît comme un gaz isotrope et homogène. Ce que nous confirme les mesures extrêmement précises des satellites (Cobe entre autre), chargés de rechercher les preuves du Big bang.

   Mais il y a aussi l'énigme de la Matière Noire, celle que l'on cherche depuis plus de 50 ans et qui représente 90% de la masse de l'Univers.

ISOTROPE : nombre et disposition identique dans n'importe quelle région.

HOMOGÈNE : la densité des supers-amas reste constante aussi loin que l'on puisse observer.

  L'univers n'a ni centre, ni direction privilégiée.

  L'univers, à grande échelle, ressemble à un gros volume d'eau savonneuse, tel qu'il se répartit dans une grappe de bulles de savons. Il serait dû aux fluctuations de densité dans l'univers primitif.

  1. Les grandes structures

Cette vue sans précédent d'une fusion, confirmerait la théorie d'un univers bâti en structures hiérarchisées   Avec l'observatoire de l'ESA en orbite autour de la Terre, XMM - Newton, une équipe scientifique internationale a observé une collision frontale entre deux amas de galaxies qui a fracassé l'ensemble des milliers de galaxies et des milliers de milliards d'étoiles. Cette collision est l'événement le plus puissant jamais observé. De telles collisions se situent après le Big bang en rendement énergétique.

  L'événement détaille ce que les scientifiques appellent "la parfaite tempête cosmique" : amas de galaxies qui se sont percutés comme deux fronts météorologiques créant des conditions tempétueuses en projetant des galaxies loin de leurs parcours et générant des ondes chocs à 100 millions de degrés dans l'espace intergalactique.

   Cette vue sans précédent d'une fusion, confirmerait la théorie d'un univers bâti en structures hiérarchisées, essentiellement à partir de la fusion de petites galaxies et d'amas de petites galaxies pour en former une plus grande. Dans l'univers, l'évolution irait toujours du plus petit vers le plus grand, que ce soit pour les galaxies ou les amas de galaxies. "Ici, avant que nos yeux voient la fabrication d'un des plus grands objets de l'univers, qui était, au départ, constitué de deux amas galactiques plus petits, il y a 300 millions d'années, est maintenant un amas massif en agitation." déclare le Dr Patrick Henry de l'université de Hawaï qui mène l'étude. 

   Patrick Henry et ses collègues, Alexis Finoguerov et Ulrich Briel du Max Plack Institut pour la physique extraterrestre en Allemagne, présentent leurs résultats dans la prochaine édition de l'Astrophysical Journal. La prévision, dirent-ils, pour le nouveau super amas, est claire et limpide maintenant que le plus gros de l'orage est passé.

 

 Temperature map  Les super amas galactiques sont les plus grandes structures liées gravitationnellement dans l'univers contenant des centaines de milliers de galaxies. Notre Voie Lactée fait partie d'un petit groupe de galaxies qui n'est pas lié gravitationnellement à l'amas le plus proche, l'amas de la Vierge. Notre Galaxie est destinée à entrer en collision avec, dans quelques milliards d'années, à moins  que ....

   L'amas Abell 754 dans la constellation de l'hydre est connu depuis des décennies. pourtant, à la surprise des scientifiques, de nouvelles observations révèlent que la fusion peut s'être produite dans la direction opposée à celle qu'ils pensaient. Ils ont retrouvé des indices de ce phénomène en retraçant le résidu, à gauche, dans le sillage de la fusion, s'étendant  sur plusieurs millions d'années-lumière. Bien que d'autres grandes fusions soient connues, aucune n'a été mesurée avec autant de détails qu' Abell 754.

   Pour la première fois, les scientifiques ont pu créer une carte "météo" complète d'Abell 754 et faire une prévision. Cette carte contient des informations de température, de pression et de densité du nouvel amas. Comme dans tous les amas, la plupart de la matière ordinaire se trouve sous forme de gaz entre les galaxies et non pas enfermée à l'intérieur des galaxies ou des étoiles. Les importantes forces de fusion régnant à l'intérieur de l'amas, accélèrent le gaz intergalactique à de grandes vitesses et en conséquence l'onde de choc qui chauffe le gaz à des températures très élevées, émet des rayons X, bien plus énergiques que le rayonnement visible que nos yeux peuvent détecter.  XMM - Newton a été mis en orbite pour détecter le rayonnement X à haute énergie. La dynamique de fusion révélée par XMM-Newton converge vers un amas de transition. Pour Finoguenov: "Un amas s'est apparemment écrasé contre l'autre au nord-ouest et l'a traversé depuis; maintenant, la pesanteur attirera les restes de ce premier amas vers le noyau du second. Dans quelques milliards d'années, les restes seront stabilisés et la fusion sera complète."

     L'observation implique que les plus grandes structures dans l'univers se forment toujours actuellement. Abell 754 est relativement proche, environ à 800 millions d'années-lumière. Cependant, l'essor de la construction des super amas pourrait être terminé dans quelques milliards d'années. "Une énergie noire" doublée par une substance mystérieuse, "la matière noire", semblent accélérer le taux d'expansion de l'univers. Ceci signifie que les objets se déplacent indépendamment les uns des autres à une vitesse toujours croissante et que les amas peuvent, par la suite, n'avoir jamais l'occasion de se percuter.

    Les observations du rayonnement X des amas galactiques tel qu'Abell 574 aidera à mieux définir l'énergie noire et la matière noire, une substance mystérieuse et invisible qui paraît représenter plus 80 % de la masse de l'amas galactique.

     Cette observation fut annoncée sur le site réservé à la presse de la Nasa, le 24/09/04. Un rapport de Patrick Henry et de ses collaborateurs décrit ces résultats qui seront publiés dans le Astrophysical Journal.

http://www.esa.int/images/imageL,87.jpg

http://www.esa.int/images/xmm20040923b.gif

http://www.gsfc.nasa.gov/topstory/2004/0831galaxymerger_media.html


Original Source: ESA News Release

  1. Densité

      En supposant que l'essentiel de la matière se situe dans les étoiles, à partir de leur luminosité, il est facile de déduire la densité moyenne de la matière de l'univers à des distances plus grandes que celles qui séparent les super amas. Le nombre de protons, pour un volume de 10 m³, est ainsi compris entre 1 et 10.

  Il faut bien savoir qu'est appelé vide, une quantité de 1 million de milliards ( 1.1015) d'atomes par cm³, ce qui représente le contenu d'un dé à coudre. L'atmosphère terrestre est 10 000 fois plus dense.

Pression en hPa

molécules par cm3

Vide primaire

1000 - 1

1019 - 1016

Vide moyen

1 - 10-3

1016 - 1013

Vide poussé

10-3 - 10-7

1013 - 109

Ultravide

10-7 - 10-12

109 - 104

Ultra-ultravide

 < 10-12

< 104

  En système SI, l'unité de pression est le pascal (Pa), mais dans le vide il est souvent fait appel au millimètre de mercure (mmHg) ou Torr avec 1 mmHg ou 1 Torr = 133,3223684 pascals.

 NB: 1 Pa = 1 newton par m2 (N·m-2 ou kg·m-1·s-2) = 10−5 bar  

  • Espace proche de la Terre: ~ 100 µPa (10−6 Torr)

  • Pression sur la Lune: ~1 nPa (10−11 Torr)
  • Espace interstellaire:  ~ 1 fPa (10−17 Torr)

http://en.wikipedia.org/wiki/Vacuum

 

  1. L'énergie du vide

  Les dernières découvertes mettent en lumière, l'énergie du vide . Et en plus, l' expansion de l'Univers s' accélère.

  Le vide est rempli de particules qui interagissent entre-elles,  et donc disparaissent aussitôt apparues, ce qui les rend inobservables. Chaque particule ayant une énergie, c'est ce qui fait dire que le vide à une énergie. Comme celle-ci est identique dans tout l'univers, elle devient une constante. Elle pèse par conséquent sur l'univers. Mais tout le monde n'est pas d'accord. La polémique s' amplifie entre le partisans et les adversaires de la constante cosmologique.

   Cette énergie donne naissance à de nouvelles recherches, notamment son utilisation pour une propulsion d'avenir.

retour à matière noire

Affaire à suivre ...

  1. Rayonnement

     L' Univers ne contient pas que de la matière, il est aussi emplit de rayonnement qui véhicule de l'énergie. Il fut découvert en 1965. Il enferme plus d'énergie que celui des étoiles et il n'est produit par aucune source ponctuelle. Ce serait le résidu de l'explosion qui donna naissance à l'Univers, il y a environ 15 milliards d'années : le Big bang

      Aujourd'hui,  la température de l' Univers est de  2,7°K soit:   - 270°C. C'est le résultat du refroidissement qui suivit l'explosion qui le créa, il y a 15 milliards d'années. La matière est aujourd'hui rassemblée dans des galaxies comprenant en moyenne 100 à 200 milliards d'étoiles.

  1. L'eau dans l' Univers

  C'est en regardant la nébuleuse d'Orion, que le télescope spatial infra-rouge européen, ISO, découvrit des quantités d'eau importantes C'est en regardant la nébuleuse d'Orion, que le télescope spatial infrarouge européen, ISO, découvrit des quantités d'eau importantes, pouvant alimenter 60 fois, par jour, les océans terrestres. Ces derniers représentent une hauteur moyenne de 2700 m sur toute la Terre. Et la nébuleuse d'Orion n'est pas l'univers, des quantités beaucoup plus importante ont été découvertes dans d'autres nuages interstellaires. On imagine alors alors aisément que l'eau s'y trouve en abondance.

  En abondance ? Oui, mais seulement à raison de 0,05 %. Tout simplement lié au rapport hydrogène et autres éléments. Dans l' Univers l'hydrogène est présent à raison de 78 %. Viennent ensuite l'hélium avec 21 % , puis l'oxygène pour 0,1 à 30 % des 1% restant (30% de 1%, cela fait 3 0/00). Ce dernier est créé dans les étoiles. Il faut donc la mort de ces dernières pour enrichir les alentours. Mais ce qu'a montré ISO, c'est que la naissance des étoiles permettait l'assemblage d'un atome d'hydrogène avec deux atomes d'oxygène, car la température ne doit être ni trop basse ni trop élevée. D'autre part, il ne faut pas de rayons ultraviolet, or les étoiles naissantes rayonnent particulièrement en UV. Ces conditions explique la faible quantité d'eau sous forme moléculaire, soit  1.10-6 de la masse de l' Univers, selon certains scientifiques. 

  Pour résister aux UV, la molécule s'est réfugiée au sein d'immenses nuages de poussières, tels ceux du nuage d'Orion, ou bien ceux qui entouraient le jeune Soleil, il y a 4,5 milliards d'années. Quant à l'assemblage des atomes, il s'opère par l'intermédiaire des violentes "contractions" qui accompagnent la naissance d'une étoile. 

   Lorsque le nuage de poussière se contracte sous l'effet de la gravitation, la mise en rotation et la pression interne devraient équilibrer cet effet. Mais de puissants jets de matière jaillissent aux pôles à très grandes vitesses ce qui diminue la pression interne, permettant à la gravitation de continuer son oeuvre. Ces jets provoquent des ondes chocs qui compriment et échauffent les gaz ambiants à une température supérieures à 100°C, explique Martin Harwitt, membre de l'université de Cornell (USA) et de l'équipe ISO. Un déclenchement des réactions chimiques associe les atomes entre eux. Voilà, l'eau est créée et c'est ainsi qu'elle se trouve aussi dans le Système solaire. 

    C'est sûrement plus compliqué, mais une explication simple permet à un plus grand nombre de comprendre, pourquoi l'eau se trouve sur notre planète.

Ciel et Espace n° 339: article de Benoît Garrigues et n° 364: article de Azar Khalatbari: d'où vient l'eau ?

retour à Terre (eau) , Système solaire (eau), Vénus (eau), Mars (eau), Lune (eau), Europe (eau), Vie

  1. En remontant le temps

  1. 15 millions d'années après le Big bang:

  1. La température du rayonnement est 100 fois supérieure à celle d'aujourd'hui, soit 0°C.

  2. Les distances entre les galaxies sont 100 fois plus faibles.

  3. La densité d'énergie de masse est 10 fois plus grande que la densité d'énergie de rayonnement.

  1. 300 000 années après le Big bang:

    1. La température est de 4 000°K

    2. La densité d'énergie domine celle du rayonnement

    3. L' Univers est sombre.

Les étoiles n'existent pas, et, de ce fait, les éléments lourds non plus ( carbone, silicium, fer, etc...).

Le rayonnement dissocie l'hydrogène.

L' Univers a l'aspect d'une soupe de photons, de protons, d'électrons, de noyaux de deutérium, d'hélium et d'hydrogène.

  1. 34 minutes après le Big bang:

  1. La température est de 1 million de °K.

  1. L'énergie des photons dissocie les noyaux de deutérium et d'hélium.

  1. 3 minutes après le Big bang:

  Il n'existe que des protons, des électrons et des neutrons.

  1. 8 secondes après le Big bang:

  1. La température est de 5 milliards de ° K

  1. Les paires Positron - Électron se transforment en Photons. Le positron, de charge positive, est le contraire de l'électron, de charge négative. Nous sommes en présence de l'antimatière.

  1. L'énergie des photons est issue des particules.

  1. 1 seconde après le Big bang:

  1. La température est de 10 milliards de ° K.

  2. Le neutrino interagit avec les photons, les neutrons et les électrons.

  1. L' Univers à un diamètre de 10 années-lumière.

  1. 1.10-6 seconde après le Big bang:

  1. La lumière est si violente, que les photons empêchent l'association des particules.

  2. Nous sommes en présence d'un plasma de quarks et de gluons

  3. Les 4 forces fondamentales qui régissent la matière n'existent pas. Ce sont:

  •  la force nucléaire forte.

  •  la force nucléaire faible.

  • la force électromagnétique.

  • la force gravitationnelle.

  1. 1.10-11seconde après le Big bang:

    Les bosons W et Z deviennent identiques aux photons.

  1. 1.10-32 seconde après le Big bang:

  1. La température est de 1.1028 °K ( 1 suivi de 28 zéros ).

  2. Les quarks, gluons et leptons sont indissociables

  1. 1.10- 43 après le Big bang:

    La température est de 1.1032 °K.

    C'est le temps de Planck, ultime chemin de la physique actuelle. L'espace-temps cesse d'être continu.

  1. T = ? :

  On ne peut pas atteindre l'instant 0, de la même manière qu'il est impossible d'atteindre le zéro absolu (- 273,15 °C) ou bien la vitesse de la lumière (300 000 km/s). Dans ces 2 cas, la quantité l'énergie nécessaire pour atteindre ces buts devient infinie. Il ne faut pas confondre le caractère fini de l'âge de l'univers avec le concept d'infini de la singularité du début. L'instant 0 est un instant inaccessible par son caractère infini. Il n'est pas sur la ligne des temps. D'où son nom de singularité.

   Le modèle de Big bang explique que ce sont l'espace et le temps qui furent engendrés. Donc le temps n'existant pas avant le Big bang, il ne peut rien exister, car l'utilisation de AVANT est une utilisation temporelle, qui n'existe pas. De plus, il ne peut pas y avoir d'espace en dehors de l'espace, car l'espace c'est le tout. Comme il n'existe pas, il n'y a rien. Ce sont 2 cas d'utilisation de termes illogiques. Nous avons affaire à quelque chose de fini qui n'a pas de frontière.  C'est une ligne d'horizon dont nous percevons la finalité inaccessible. Cet effet nous donne l'illusion d'un infini qui prend l'apparence du fini. Le temps n'existe pas, donc pas d'instant zéro.

  1. Durée de vie

    La durée de vie de l'univers dépend de sa densité, de la valeur de la constante de Hubble et de la constante cosmologique.

    Actuellement beaucoup d'inconnus subsistent, mais des chiffres de plus en plus précis sont annoncés, à la suite de découvertes récentes et bien que des polémiques subsistent. Les cosmologistes doivent se mettre d'accord sur la valeur des 3 paramètres, que seules les observations départageront, car la polémique fait rage pour les partisans des différentes théories.

   La constante de Hubble serait aux alentours de 72 km/s/mégaparsec ( +/- 9 ). La densité serait aux environs de 0,3, ce qui retire toute crédibilité au modèle de Big-Crunch ( inverse du Big bang ). Quelques atomes au m3. L'atmosphère en contient 1.1025au m³.

    Quant à la Constante cosmologique, elle se situerait aux environs de 0,7. Ainsi, l'univers se dirigerait vers une expansion sans fin, ce qui se traduira par la dispersion de tous les éléments ( disparition des forces de cohésion ) .

  1. Les premières lueurs selon WMAP

"l'empreinte digitale" sur le ciel de la plus vieille lumière de l'Univers,
http://map.gsfc.nasa.gov/m_ig/020598/020598_ilc_640.jpg

  Voici "l'empreinte digitale" de la plus vieille lumière de l'Univers, que la Nasa a révélée le 11 février 2003. Cet instantané montre, avec des détails sans précédent, le portrait de l'Univers juste "au lever du jour", lorsque les premiers photons se libérèrent Photo of MAP in a deployed configuration de la fournaise du Big bang, soit 380 000 ans après. La température a suffisamment diminué pour qu'ils puissent s'évader de la soupe primordiale et que les atomes puissent se former. Cette image représentent d'infimes fluctuations du rayonnement fossile baignant l'Univers, lequel est  à environ  2,73°K (2.7251 à 2.7249 degrés Kelvin). La sonde WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) a détecté des variations minimes de 1.10- 6 degré. La couleur rouge indique les points les plus chauds et le bleu les points les plus froids. La forme ovale représente la projection du ciel en entier similaire aux cartes de projection de la Terre. Ce qui frappe à l'étude de cette image, c'est que la grande majorité  de ces grumeaux possèdent la même taille angulaire: 1°.   (http://map.gsfc.nasa.gov/m_ig/990389/990389s.jpg)

  Ces variations minuscules reflètent des contrastes de densité ou les creux et les bosses dans l' Univers qui donneront les graines des galaxies et des étoiles par différence de gravité. Des grumeaux de matière furent réunis par de longs filaments, tout comme une toile d'araignée. Des amoncellement d'hydrogène, comme des gouttes de rosée sur une toile d'araignée, se sont développés le long des filaments. Chaque grumeau est (éventuellement) attiré vers les nœuds où il amasse de la matière pour créer les premières galaxies.

une simulation des premiers instants de l'Univers.
http://www.space.com/images/h_sponge_filaments_010522_02.jpg

     Voici, ci-dessus, une simulation des premiers instants de l' Univers. La gravité ordonne la matière le long de fins filaments. Les fortes densité sont en jaune puis elles subissent  un effondrement qui allument les étoiles. Ces flots de galaxies le long des filaments (rouge indique une densité moyenne) se rencontrent dans les nœuds causant le développement des galaxies. Les zones bleues sont de densité faible.

    La lumière qui nous atteint est étirée, car l' Univers est étiré. De ce fait les rayons gamma qui nous atteignent sont vus comme un rayonnement centimétrique. Les ondes centimétriques sont issues du même rayonnement électromagnétique perçu par nos yeux, mais la longueur d'onde est différente, elle est plus basse. C'est pour cela qu'un observant le spectre des ondes centimétriques, on regarde le spectre du rayonnement gamma d'autrefois.


Electromagnetic spectrum diagram showing the relationship between Microwaves and visible light.
http://map.gsfc.nasa.gov/ContentMedia/MicrowavesGuide_b.jpg

  1. Age et répartition de l' Univers

  Pour le Dr Charles L. Bennett du Goddard Space Flight Center et principal instigateur du projet,  les données obtenues par WMAP représentent une vraie mine d'or. Une des plus grandes surprises de ce résultat fut de découvrir que l'Univers fut assez froid pour que les premières étoiles brillent seulement 200 millions d'années après le Big bang, beaucoup plus tôt qu'attendu par la théorie. Aujourd'hui l'âge de l'Univers est connu avec une précision inégalée: 13,7 ±1% milliards d'années.

  L'équipe du WMAP a aussi pu déterminer la répartition de l' Univers primordial. C'est ainsi qu'il contient 4% (5% pour Archéops) de matière que nous connaissons sous forme d'atomes, 23% de matière noire et 73% d'énergie noire, une force totalement inconnue et exotique qui cause l'accélération de l' Univers à un rythme toujours plus rapide. L'inflation paraissait sortie tout droit de la science fiction lorsqu'elle fut introduite il y a quelques dizaines d'années. Maintenant la voici confirmée.

  D'une manière générale, toutes ces idées sont en conformité avec d'autres évaluations faites à partir des données rassemblées dans l' Univers proche.

  Bennett et les autres scientifiques ont déclaré que ces résultats étaient la pierre angulaire de la théorie cosmologique moderne et soutenaient ses aspects les plus généralement admis. Ces résultats confirmaient que l' Univers est plat et de même géométrie que celle d'Euclide (3e siècle BC), celle enseignée dans les écoles, à savoir que 2 lignes parallèles ne se coupent jamais, même à des distances cosmologiques et que la somme des angles d'un triangle est égale à 180°.

   Ces nouvelles données corroborent la théorie du Big bang et de l'inflation, qui en sort renforcée, mais une petite minorité n'est toujours pas convaincue. Pourtant déjà avec l'expérience du CNES et le ballon Archéops, 7 et 8 février 2002, les scientifiques avaient déjà annoncé la platitude de l'Univers à 2% près.

  1. Découverte du rayonnement fossile

  Bien que le soubassement théorique de cette vision du monde soit fourni par la théorie de la relativité d'Einstein, l'invention du Big bang est à porter au crédit de Alexandre Friedmann (1888-1925) et Georges Lemaître (1894-1966). Le rayonnement fossile ou CMB (Cosmic Microwawe Background) chez les anglo-saxons, a été prédit en 1940 par George Gamow, puis a été détecté par hasard en 1965 par les chercheurs Arno Penzias et Robert Wilson aux Bell Telephone Laboratories à Murray Hill, New Jersey, qui furent gênés par un bruit de fond anormalement élevé que délivrait leur récepteur radio destiné à étudier le rayonnement radio de notre Galaxie à la longueur d'onde 7,35 cm. De nombreuses autres observations (notamment le satellite Cobe en 1991) sur les longueurs d'onde comprises entre 50 cm et 3,3 mm, suivirent cette découverte et confirmèrent que le spectre du rayonnement pouvait être représenté par celui d'un corps noir à 2,7°K (- 270°C); le maximum d'émission se situant vers 1,5 mm de longueur d'onde. Depuis, de nombreuses recherches ont permis d'arriver aux résultats surprenants de WMAP et diverses mesures révélèrent que l'uniformité du rayonnement fossile est une des caractéristiques les plus frappantes . C'est seulement après la mise au point d'appareils extrêmement sensibles, comme les sondes Cobe et WMAP et les ballons Boomerang et Maxima, Archéops que les cosmologistes ont pu détecter ces infimes fluctuations ou contrastes de densité (1.10-6  par rapport à 2,7°K).  L'étude du rayonnement fossile permettra de connaître l'origine des galaxie, leur distribution et de mesurer les paramètres de la théorie.

 

http://science.nasa.gov/headlines/y2003/images/map/dawnoftime1.jpg

  1. Rappel de la théorie du Big bang

    La théorie implique que l' Univers est en expansion. Cette expansion indique que dans un passé lointain l' Univers était plus petit, plus dense, plus chaud et fluide. Quand l' Univers visible était la moitié de sa taille actuelle, la densité de sa matière était 8 fois plus élevée et le rayonnement fossile était 2 fois plus chaud. Lorsque l' Univers visible était 1% de sa taille actuelle, le rayonnement fossile était 100 fois plus chaud (273°K = 0°C), c'est la température où l'eau gèle sur la Terre. De plus, l' Univers était rempli d'hydrogène chaud et dont la densité était de 1 000 atomes par cm3. Lorsque l' Univers posséda une taille de 1 million d'années-lumière, la température était de 273 millions de degrés Kelvin et la densité de sa matière comparable à celle de l'atmosphère terrestre (1.1019 atomes par cm3). A cette température, les photons sont si énergétiques qu'ils cassent les atomes. La matière se trouve sous forme d'ions. L'hydrogène est ionisé et les protons et électrons sont libres. Les particules porteuses d'une charge négative sont dissociées de leur cousines chargées positivement.

     L' Univers était très chaud au début de son histoire, il n'y avait pas d'atomes, seulement des électrons, des protons et de neutrons libres. Les photons du  rayonnement fossile étaient dispersés sous forme d'électrons. Ainsi, les photons vadrouillaient à travers le jeune Univers, comme une lumière à travers le brouillard. Ils interagissaient avec la matière ionisée et aucun photon ne pouvait sortir. L' Univers apparaît noir. Ce processus de diffusion multiple produit ce qui scientifiquement s'appelle le spectre thermique des photons. En accord avec la théorie du Big bang, la fréquence spectrale du rayonnement fossile a la forme d'un corps noir. Ceci fut mesurait avec une très grande précision par le satellite Iras au sein de l'expérience FIRAS. 

spectre du bruit de fond du rayonnement cosmique  Cette figure montre la courbe, prédite par la théorie du Big bang, le spectre de puissance du rayonnement fossile comparée à celle du spectre de puissance observé. Le spectre de puissance représente la part d'énergie de chaque grumeau en fonction de sa taille. Comme la majorité possède la même taille angulaire, on observe un pic à cette longueur d'onde précise. L'expérience FIRAS a mesuré le spectre sur 43 points le long de la courbe du corps noir. L'écart est si infime qu'il est invisible sur la courbe. Aucune autre théorie alternative existe pour prédire avec autant de précision les observations. La précision de cette forme fut aussi un test de la théorie du Big bang. Le rapport taille apparente à taille réelle donne une idée de la géométrie de l'espace. http://map.gsfc.nasa.gov/ContentMedia/990015s.jpg

  Pour répondre à ces hypothèses, WMAP a mesuré les faibles variations de température du rayonnement fossile. Ces variations infimes sont prises sur de faibles portions du ciel à + 2,7251°K  et d'autres parties à + 2,7249°K. En 1992, la sonde COBE (Cosmic Background Explorer) a détecté ces faibles différences de températures avec un grand champ angulaire (1°). WMAP effectue des mesures d'anisotropie avec des détails plus nombreux (1mn d'arc) et une plus grande sensibilité que ne le fit COBE. L'anisotropie est la différence entre 2 mesures prises dans des directions différentes. Les températures différentielles sur le rayonnement fossile donnent des informations valables pour tout l' Univers. Ces mesures dévoilent la taille de l' Univers, la matière contenue et le destin de l' Univers. Elles permettent aussi de révéler la structure primordiale qui a permis aux galaxies de croître et de tester les idées sur les origines de ces structures primordiales.

 

Pour lire la Suite ........2e partie.

 

 

 Pour tout savoir sur WMAP:   
http://map.gsfc.nasa.gov/m_help.html
http://map.gsfc.nasa.gov/m_mm/sg_parameters.html

Sur COBE:
http://space.gsfc.nasa.gov/astro/cobe/cobe_home.html

(voir C&E n° 346 et 391)

 

Jean-Pierre Luminet

Directeur de recherches au C.N.R.S.
Département d'Astrophysique Relativiste et Cosmologie (DARC)

pour son Univers chiffonné
http://darc.obspm.fr/luminet.html

 

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