univers primordial

Mission de WMAP

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Pour minimiser les perturbations environnantes et pour obtenir de meilleures observations, WMAP fut placé en orbite autour de point Lagrange L2 à 1,5 millions de km de la Terre. La trajectoire sélectionnée pour atteindre ce point consistait à envoyer par 4 fois en 1 mois, la sonde sur une orbite proche du domaine lunaire et lors de la 5e, l'envoyer frôler la Lune pour que, par réaction de gravitation, WMAP atteigne le point L2 en cent jours, sans avoir allumé ses moteurs, pour une mission initiale de 27 mois (3 mois de transfert et 24 mois d'observation). La sonde WMAP (~830 kg) fut lancée le 30 juin 2001 par une fusée Delta II 7425-10. Cette mission a été étendue à 4 années, pour collecter des données supplémentaires.

WMAP doit toujours se tourner à l'opposé du Soleil. La figure ci-contre montre comment fut cartographiée, grâce à la rotation de la Terre autour du Soleil, la voûte céleste à partir du point Lagrange L2, trimestre après trimestre.

Le point Lagrange L2 marque l'endroit où se combine les forces gravitationnelles de la Terre et du Soleil. Les forces centripètes des 2 astres s'équilibrent ce qui crée une zone de stabilité remarquable, accompagnant la Terre dans sa course autour de l'astre du jour. Cette zone est l'endroit rêvé pour parquer des satellites et les y maintenir, sans effort. De plus, à cette distance, le satellite est tenu à l'égard des perturbations radioélectriques et magnétiques, entre autres, de la Terre. De plus l'environnement thermique y est stable et l'observation est rendue efficace à 100% en tournant le dos au Soleil, à la Lune et à la Terre, grâce à un panneau de protection, afin de minimiser les perturbations.

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Trajectoire vers L2

La trajectoire des 4 orbites d'insertion dépend du jour du lancement par rapport au cycle lunaire et de l'instant où aura lieu la réaction de gravitation pour atteindre L2. La croisière est d'à peu près 100 jours à la fin des orbites d'insertion. La fenêtre de lancement est d'environ 20 minutes par jour pendant 7 jours tous les 2 mois. Une fois mis en orbite autour de L2, le satellite y décrit une orbite en figure de Lissajous* tel que le vecteur Terre-sonde reste compris entre 1 et 10 degrés, hors de l'alignement du vecteur Soleil-Terre pour maintenir des communications satisfaisantes et éviter les éclipses. Seulement 4 manœuvres par an sont nécessaires pour maintenir WMAP sur cette orbite.

* Jules Antoine Lissajous (4/03/1822 - 24/06/1880) s'est intéressé aux ondes et développa une méthode optique pour l'étude des mouvements vibratoires. En radio et en électronique pour connaître un signal de fréquence inconnue, un signal de fréquence connue est appliqué sur la plaque de déviation horizontale d'un tube cathodique et le signal dont on veut mesurer la fréquence est appliqué sur la plaque de déviation verticale, la figure résultante (le quotient) est alors un multiple ou un sous-multiple des deux fréquences.

http://www.cs.ubc.ca/nest/imager/contributions/scharein/knot-theory/lissajous.html
http://www.sciences-en-ligne.com/momo/chronomath/courbes/cbes_lissajous.html

Résolution angulaire

Des mesures en haute résolution de l'anisotropie du rayonnement fossile sur des régions limitées du ciel, succédèrent aux plates-formes basées sur Terre ou à bord de ballons. La priorité des missions spatiales est de cartographier tout le ciel avec une résolution angulaire < 0,3° où le retour cosmologique est important et les données ne peuvent être aisément obtenues d'aucune autre manière. Les caractéristiques optiques de WMAP sont de 1,4 m x 1,6 m sur les réflecteurs primaires, ce qui donne une résolution angulaire < 0,25° à la fréquence la plus élevée (90GHz).

Le tableau ci-dessous indique les résolutions angulaires obtenues pour chacune des 5 bandes de fréquence de WMAP. La valeur donnée correspond à la largeur à mi-hauteur (full width at half maximum: FWHM) de la courbe de réponse (gaussienne) du faisceau, en degrés.

Les mesures définitives des propriétés de faisceau principal ont été obtenues à partir des observations de la planète Jupiter, sur orbite. Ces informations seront utilisées pour déterminer la réponse efficace du faisceau sur le ciel d'après la moyenne azimutale qui se produit à partir d'observations d'un pixel donné avec une gamme d'orientations du faisceau. Cette information complète sera disponible avec les données de la carte de ciel quand elle aura été traitée.

Fréquences	22 GHz	30 GHz	40 GHz	60 GHz	90 GHz
largeur à mi-hauteur en degrés	0.93	0.68	0.53	0.35	<0.23

Taille du grumeau

Lors du premier gonflement du grumeau, sa taille est donnée par la distance parcourue par une onde de pression pendant 300 000 ans (avant que les photons ne s'échappent) dans l' Univers âgé de 15 milliards d'années. Dans un tel milieu, l'onde de pression se déplace à peu près à la vitesse de la lumière. La dimension du grumeau est donc de 300 000 années-lumière, pour une lumière qui se déplace en ligne droite. Compte-tenu de la dilatation d'un facteur 1 000, sa taille apparente sera de 1°. D'où la conclusion, l'Univers est plat.

C&E 391 Archéops (Azar Khalatbari)

Soupe primordiale

Durant les premières 300 000 années, la température de l' Univers excédait les 4 000 °K et l'hydrogène était toujours ionisé. L'électron de l'atome d'hydrogène était si excité qu'il ne pouvait pas se liait d'amitié avec son proton. Ainsi, l' Univers primitif était une soupe bouillante de protons et d'électrons très excités. Ce gaz chaud émettait constamment des particules de lumière appelées photons qui diffusées et étaient réabsorbées et qui sont finalement la source du rayonnement fossile. Tant que le gaz restait ionisé, ces particules pleines d'énergie restaient en interaction avec les photons, électrons et protons pour former un simple fluide brûlant. Le comportement du fluide a des implications sur le déplacement des ondes à travers le gaz. Si nous pouvions trouver un enregistrement fossile de ces ondes, nous pourrions étudier une grande quantité de propriétés sur le milieu dans lequel elles se déplacèrent et ainsi connaître les propriétés physiques de l' Univers d'antan. Notre grande chance, c'est que le rayonnement fossile contient cet enregistrement fossile.

Lorsque WMAP observa le fond de ciel, il regarda en arrière l'instant où les électrons libres rayonnèrent pour la première fois. Cet horizon cosmologique, comparable à la surface des nuages, est appelée "surface de diffusion finale" (surface of last scatter) par les anglo-saxons. S'il y avait des caractéristiques marquées sur cette surface extérieure (régions plus brillantes ou plus sombres que la moyenne), elles resteraient marquées jusqu'à aujourd'hui, car la lumière émise voyage à travers l'Univers sans difficulté. Ainsi les observations du rayonnement fossile sondent directement les conditions physiques de cette époque, c'est-à-dire 300 000 ans après le Big bang.

Lorsque la température tomba au-dessous de 4 000°K, les électrons et les protons furent capables de se combiner pour former l'hydrogène neutre. L'hydrogène est presque complètement transparent au rayonnement fossile, ainsi au-dessous de cette température, les photons purent se propager librement à travers l'Univers. L'apparence d'un ciel nuageux est une bonne analogie. Les gouttes d'eau diffusent la lumière visible un peu comme les électrons libres diffusent les photons du rayonnement fossile. Mais la vapeur d'eau est presque transparente à la lumière visible, comme l'hydrogène neutre est presque transparent au rayonnement fossile. Le rayonnement fossile, issu de l'horizon cosmologique, trouve son analogie dans la lumière traversant les nuages pour atteindre notre oeil.

Fluctuations du rayonnement fossile

Lors des premières mesures, le rayonnement fossile paraissait homogène. Cette homogénéité serait due à la libération progressive des photons qui s'est effectuée en ~ 10 000 ans, un clin d'œil à l'échelle cosmologique.

Lorsque WMAP mesura le rayonnement fossile sur tout le ciel, il le trouva pas tout à fait uniforme. Il y avait d'infimes variations ou des fluctuations (1.10^{- 6} par rapport à 2,7°K). Il y a un certain nombre de causes qui peuvent produire d'infimes différences de températures du rayonnement fossile:

variations de densité ou de vitesse de propagation du gaz à la surface.
variation de gravité à la surface ou le long du chemin suivi par les photons.

Différents phénomènes physiques sont donc responsables de chacun de ces effets et c'est en étudiant le rayonnement fossile que les scientifiques vont pouvoir déduire maintenant une multitude d'informations sur l' Univers d'autrefois.

Géométrie de l'Univers

Le trajet de la lumière révèle la géométrie de l'espace. Une forme géométrique placée à cet endroit ne nous apparaîtra pas sous sa vraie forme selon que la lumière se propage dans une sphère ou un plan. Toute image déformée sera la preuve que la lumière ne s'est pas déplacée en ligne droite. La mesure angulaire dominante des variations du rayonnement fossile est l'angle sous-tendu par l'horizon sonique (sonic horizon) (si quelqu'un a une meilleure traduction, je suis preneur) sur l'horizon cosmologique. Cette distance sert d'échelle pour mesurer la géométrie de l' Univers. Si l' Univers est plat, cette échelle est à peu près de 1°. Si l'Univers est ouvert, les photons progressent plus rapidement sur des chemins qui s'écartent dans un espace incurvé négativement comme le montre la figure ci-contre. En raison de cet effet, un objet d'une taille donnée semblera avoir une taille angulaire plus petite. Ainsi si l' Univers était ouvert, la place du premier pic du spectre de fluctuation, serait décalée à de plus petites échelles angulaires, comme indiqué ci-dessous.

http://map.gsfc.nasa.gov/m_mm/sg_parameters.html

L'amplitude et la position des fluctuations de température dépendent du contenu de l' Univers (ici, un Univers ouvert).

Nombre d'électrons

Le comportement de la fluidité de l' Univers primordial dépend aussi de la densité relative des électrons et des photons. Plus il y a d'électrons (et protons), plus fort est leur réponse à la gravité. Ceci conduit à une augmentation des premiers et troisièmes pics produits par le fluide tombant dans des puits de gravité et une suppression du deuxième pic provoquée par le fluide en sortant. C'est ainsi qu'en mesurant la hauteur relative des pics du spectre de fluctuation, les chercheurs sont capables de déterminer la densité relative du nombre de protons et d'électrons.

L'accroissement du rapport d'électrons par rapport aux protons a pour effet de diminuer la propagation dans le fluide. Puisque le fluide se déplace plus lentement, les oscillations secondaires se produisent à de plus grandes échelles. Cet effet décale l'endroit des derniers pics dans le spectre de fluctuation.

en mesurant la hauteur relative des pics du spectre de fluctuation, les chercheurs sont capables de déterminer la densité relative du nombre de protons et d'électrons.
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Mesure de la matière contenue

La propagation du rayonnement fossile de l'horizon cosmologique à nous est affectée des fluctuations gravitationnelles le long de la ligne de visée. Les photons tombant dans des puits gravitationnels accumulent de l'énergie. Ils en perdent lorsqu'ils les remontent. Si l'Univers est plat et composé entièrement de matière, ces 2 effets s'annulent et les protons ne sont pas perturbés le long de la ligne de visée.

S'il y a une constante cosmologique, la profondeur des puits gravitationnels se dégrade en fonction du temps. Ainsi, un proton qui tombe dans un puit gravitationnel profond donnera l'apparence qu'il est peu profond. Cet effet a pour conséquence de légèrement accroître l'énergie du proton le long de la ligne de visée. Un autre photon qui traverse une région de faible densité (qui produit des "collines" gravitationnelle) perdra de l'énergie tout en en gagnant pendant la descente et donnera l'impression d'un différentiel plus important. A cause de cet effet, un modèle ayant une constante cosmologique aura des fluctuations additionnelles sur de grandes échelles angulaires. Des mesures à grand angle sont plus sensibles aux variations dues aux puits de gravité qu'au décalage vers le rouge (red shift) qui lui est dû à l'effet doppler.

Il y a un effet semblable aux redshift élevés (z ~ 500 - 1300): à cette période, les photons et les neutrinos contribuaient à la densité totale de l'Univers. En raison de cette contribution, les fluctuations des puits gravitationnels se dégradent également en fonction du temps. Ceci conduit à accroître les fluctuations aux échelles angulaires inférieures à ~ 2 degrés. Cette échelle angulaire sous-tend un horizon à z ~ 500. Plus le rapport entre l'énergie des photons et celle de la matière est grand, plus le rayonnement joue un rôle à cette période et plus grandes sont les fluctuations de température. Depuis que les mesures spectrales de FIRAS ont déterminé la densité d'énergie des photons, les chercheurs peuvent utiliser ces variations d'amplitude sur cette échelle angulaire pour déterminer densité énergétique de la matière.

http://map.gsfc.nasa.gov/m_mm/sg_parameters.html

Les fluctuations à une grande échelle: Z > 500.

Pour François Bouchet de l'IAP (Institut d'Astrophysique de Paris) les pics suivants le pic principal, qui contient le maximum d'énergie concentré sur les grumeaux de 1°, indiquent que les petits grumeaux sont en train de s'effondrer. Mais leur hauteur relative signifie qu'il y a une dissipation d'énergie entre 2 battements successifs: le grumeau est légèrement freiné dans son gonflement. Or, seule la gravitation, exercée par d'éventuels baryons (particules ordinaires lourdes de la matière: protons, neutrons) peut l'empêcher de gonfler. La hauteur des 2 pics renseigne les chercheurs sur le pourcentage de baryons présent dans l'Univers et leur permet d'annoncer que l'Univers ne contient que 5% pour Archéops (2002) et 4% pour WMAP (2003) de matière ordinaire.

C&E 391 Archéops (Azar Khalatbari)

Polarisation du rayonnement fossile

WMAP a mesuré non seulement les fluctuations de températures du rayonnement fossile, mais aussi sa polarisation. Bien que personne n'ait encore décelé la polarisation du rayonnement fossile (CMB), les modèles théoriques prévoient son existence à une amplitude discernable par la sonde WMAP. La lumière du Soleil diffusée au loin par la brume ou celles des photons du rayonnement fossile diffusés par les électrons libres dans l' Univers primordial, est souvent polarisée. Cet effet se produit parce que la diffusion transversale électron-photon dépend de la polarisation du photon entrant (qui correspond à la direction du champ électrique du photon). En raison de cet effet, nous pouvons sonder les propriétés des électrons que le photon rencontre pendant qu'il se propage de l'horizon cosmologique à WMAP.

A ce moment de la discussion, nous pourrions objecter qu'il n'y avait plus aucun électron libre lorsque l' Univers primordial se refroidit en-dessous de 4 000° K. Heureusement, ce n'est pas vrai. Une fois que les étoiles commencèrent à rayonner, leur radiation ionisèrent les atomes d'hydrogène libérant ainsi des électrons. Ces électrons libres produiront des fluctuations de la polarisation du rayonnement fossile qui sont potentiellement discernables.

Nucléosynthèse dans l'Univers primordial

Le terme de nucléosynthèse fait référence à la formation des éléments lourds, noyaux atomiques possédant plusieurs protons et neutrons, après la fusion des éléments légers. La théorie du Big bang nous enseigne que l' Univers primordial était très chaud. Une seconde plus tard, la température a chuté à 10 milliards de degrés et l' Univers, qui mesurait 10 années-lumière, baignait dans un océan de neutrons, protons, positrons (anti-électrons), photons et neutrinos. Lorsque l' Univers se refroidit, les neutrons soit dégénérèrent en protons et électrons, soit se combinèrent avec des protons pour fabriquer le deutérium, qui est un isotope (neutrons supplémentaires) de l'hydrogène. Au cours des 3 premières minutes, la plupart du deutérium s'est combiné pour donner l'hélium. Des petites quantités de lithium furent produites en même temps. Ce processus de fabrication des éléments légers fut appelé "nucléosynthèse primordiale" ou BBN (Big Bang nucleosynthesis) par les anglo-saxons .

La quantité d'éléments légers, prédits pour une densité d' Univers donné, sert comme double contrôle sur des observations de densité. Cette prédiction de l'abondance du deutérium, de l'hélium et du lithium dépend de la densité de la matière ordinaire dans l' Univers primordial comme nous le voyons sur la figure ci-contre. Ces résultats indiquent que la production de l'hélium est relativement peu sensible à l'abondance de la matière ordinaire, au-dessus d'un certain seuil. En principe, les scientifiques pensent qu'environ 24% de la matière ordinaire représente l'hélium produit lors du Big bang. Ceci est en accord avec les observations et est une autre victoire pour la théorie du Big bang. Toutefois, le modèle peut être testé plus avant. Afin que la production prévue des autres éléments légers soit en accord avec les observations, la densité globale de la matière ordinaire doit être en gros 4% de la densité critique (unité de masse par unité de volume: actuellement environ 5×10 g/cm). L'équipe du WMAP a aussi pu déterminer que la répartition de l'Univers primordial est de 4% de la matière que nous connaissons sous forme d'atomes. Ce qui confirme le modèle et est en accord avec la théorie.

Si les résultats n'avaient pas été en accord avec la théorie, aurait été remis en cause:

les mesures
la compréhension du processus de nucléosynthèse primordiale
la compréhension du mécanisme qui a produit le rayonnement fossile
la théorie du Big bang.

http://map.gsfc.nasa.gov/ContentMedia/990403b.jpg

Expansion de l'Univers

Les courbes ci-dessous représentent l'expansion ou la contraction selon les divers scénarios envisagés de l'évolution de l' Univers.

La courbe du bas en orange représente un Univers fermé, de forte densité, qui croît pendant plusieurs milliards d'années puis finalement s'effondre sous son propre poids.
La courbe verte représente un Univers plat, de densité critique dans lequel l'expansion ralentit continuellement (la courbe tend à devenir de plus en plus horizontale).
La courbe bleue montre un Univers ouvert, de faible densité dont l'expansion ralentit également mais pas autant que sur les deux courbes précédentes, car la gravité est peu élevée.
La courbe rouge du dessus montre un Univers dans lequel une grande partie de la matière est cachée en "énergie et matière noire", ce qui crée une accélération de l'expansion. Il semble de plus en plus évident que notre Univers évolue selon la courbe rouge.

http://map.gsfc.nasa.gov/m_uni/uni_101bb2.html

Preuves et démenti

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Cette image nous montre les divers stades de l'évolution du rayonnement fossile vers l' Univers d'aujourd'hui pour répondre à la question:"Qu'est-il arrivé autrefois pour produire le ciel d'aujourd'hui?" . Les scientifiques commencent à voir le phénomène des premiers instants de l' Univers: l'inflation (ce rapide mouvement d'expansion une seconde après sa naissance). Ils ont éliminé le cas d'école du retour en arrière (Big crunch), mais il en reste d'autres qui supportent les nouvelles preuves. Comme nous le voyons sur les diverses courbes d'expansion possible, nous sommes à la croisée des chemins, où toutes se confondent. Il est donc difficile d'en privilégier une.

La question suivante peut être: "Qu'adviendra-t-il plus tard ?" Les nouvelles données de WMAP furent combinées et comparées avec d'autres mesures cosmiques (amas galactiques, concentration de nuages sur la raie Lyman alpha, supernovae, etc...) et une nouvelle compréhension unifiée de l' Univers fut trouvée:

l' Univers est âgée de 13,7 milliards d'années avec 1% d'erreur.
les premières étoiles se sont allumées seulement 200 millions d'années après le Big bang.
La lumière jaillie 380 000 ans après le Big bang
Contenu de l' Univers:

4% d'atomes, 23% de matière noire, 73% d'énergie noire.

les nouvelles mesures de l'énergie noire la place plus comme constante cosmologique que comme quintessence (champ de pression d'énergie négative). Mais la quintessence n'est pas éliminée.

les neutrinos ne joue pas un rôle important dans l'évolution de la structure de l'Univers. Mais très tôt, ils auraient empêché la concentration du gaz, retardant l'apparition des premières étoiles, ce qui ne correspond aux nouvelles données de WMAP.

Valeur du taux d'expansion (constante de Hubble) H₀ = 71 km/sec/Mpc avec une marge d'erreur d'environ 5%.

Nouvelle preuve de l'inflation: la polarisation du rayonnement fossile.

Univers plat qui sera toujours en expansion.

Point de vue de Mr Magnan

Pour rendre ce tour d'horizon plus complet, il faut tenir compte des avis opposés. Le plus pertinent est celui de Mr Magnan, Astrophysicien, professeur à l'Université de Montpellier et au Collège de France. Selon lui: "Tant qu'un cadre théorique plus solide ne sera pas disponible, nous nagerons en pleine spéculation et tant que des mesures directes n'en apporteront pas la preuve, les mesures seront toujours entachées d'incertitudes, notamment à cause du bruit de fond cosmique. D'autre part on peut montrer que pour avoir accès aux caractéristiques complètes de l'expansion, et notamment son ralentissement, il faudrait mesurer l' Univers de façon suffisamment précise sur au moins une dizaine de milliards d'années de lumière car en notre « voisinage » l'expansion d'un Univers fini ne se distingue pas de celle d'un Univers infini. Or notre exploration se limite à quelques milliards d'années". Sur l'infini, il ajoute que: "le modèle infini ne peut pas être mis en rapport avec le réel, un tel rapport supposant une mesure et un monde infini étant par essence hors d'atteinte de toute mesure. L'expérience qui consisterait à «vérifier» que notre Univers serait infini est une expérience qui, du fait même des propriétés de l'infini, est incapable de fournir un résultat dans un délai fini. Et une expérience dont on sait par avance qu'elle ne fournira pas de résultat n'est évidemment pas acceptable".

Il met aussi en doute les traitements mathématiques qui après plusieurs manipulations ne peuvent plus rien prouver. Il est fort possible que la singularité soit née au sein de cet Univers inconnu.

La platitude de l' Univers ne l'émeut pas outre mesure car nous n'avons accès qu'à une partie du contenu, celle de l' Univers "visible" c'est-à-dire celui qui est étudié actuellement. C'est comme si une petite partie du globe terrestre était étudiée. A l'échelle humaine, la Terre est plate.

Une autre incompatibilité existerait entre le monde subatomique et le monde astronomique. Chacun décrit parfaitement son domaine, mais la mécanique quantique est inconciliable avec la relativité générale. Einstein a trouvé l'expansion par le calcul tandis que Hubble la mettait en évidence par l'observation et on n'insistera jamais assez sur le fait que c'est la conjonction de ces deux démarches qui fait la grande force de ce modèle. La mécanique quantique rend compte parfaitement des fluctuations quantiques. Par contre la fuite des galaxies ne peut pas s'expliquer dans ce cadre. Aucune théorie ne relie ces deux mondes que 10⁶⁰ secondes séparent (10^-43 pour le monde quantique et 10¹⁷ pour l'âge de l' Univers). Seul le développement de la physique théorique permettra d'expliquer ce que les mathématiques ont produit. Alors, il faudra sans doute réinterpréter les mesures actuelles.

Quant à la question de plusieurs Univers, dont certain (parmi le public) sont friands, il déclare:"l'existence d'autres Univers n'est pas plus fondé d'un point de vue scientifique que de disserter sur les dieux, les anges ou les démons. D'autres disciplines peuvent se le permettre, pas la science".

Je me aussi suis permis d'extraire de son site et de reproduire dans son intégralité:

"La morale de cette histoire , je la tire d'un article de Steven Weinberg paru dans Nature (Vol. 385, 20 mars 1997, p. 213) consacré à une réflexion sur la question des particules dites « élémentaires ». Je cite:

There is a lesson in all this. The task of physics is not to answer a set of fixed questions about nature [...]. We do not know in advance the right question to ask, and we often do not find out until we are close to an answer.

que je traduis :

Une leçon se dégage de cette histoire. La physique n'a pas pour tâche de répondre à un ensemble de questions figées sur la nature [...]. Nous ne connaissons pas à l'avance la bonne question à poser et souvent nous ne la trouvons qu'au moment où nous touchons à une réponse".

A lire absolument, afin de se faire une opinion:

Christian Magnan

L'infini, ça n'existe pas !
http://www.dstu.univ-montp2.fr/GRAAL/perso/magnan/infini-encore.html

Page d'accueil:
http://www.dstu.univ-montp2.fr/GRAAL/perso/magnan/index.html

C&E 392 Entretien (Azar Kalatbari)

Fin de l'Univers (derniers calculs).

La fin de l' Univers sera, peut-être ou non, décrite ainsi. 1000 milliards d'années après le Big bang, commencent le printemps des étoiles, sorte de renouveau qui durera jusqu'à 10¹⁴ années. Elles auront alors consommé tout le gaz des galaxies. Déjà aujourd'hui, il ne se forme plus que quelques dizaines d'étoiles par galaxie. Comparé aux centaines de milliards qu'elles contiennent, c'est très peu. La fin de l' Univers sera, peut-être ou non, décrite ainsi. 1000 milliards d'années après le Big bang, commencent le printemps des étoiles, sorte de renouveau qui durera jusqu'à 10¹⁴ années. Elles auront alors consommé tout le gaz des galaxies. Déjà aujourd'hui, il ne se forme plus que quelques dizaines d'étoiles par galaxie. Comparé aux centaines de milliards qu'elles contiennent, c'est très peu.

Vers 10²⁰années, toutes les galaxies seront évaporées. C'est la fin de la matière organisée.

Maintenant 2 cas se présentent :

Si, le proton est instable.

- entre 10³⁵ et 10⁸⁰ années, il y a transformation d'un proton en un positron. Une naine noire rayonne comme 4 ampoules électriques. Après les protons, il reste des trous noirs.

- dans 10³⁰ années, les trous noirs seront plus chauds que l'univers ( entre 10^-8 K et 10^-17 K ). Des photons et des particules diverses s'en échappent et les vident peu à peu. Un trou noir normal disparaît en 10⁶⁶années et un trou noir géant peut durer jusqu'à 10¹⁰⁰ ans.

- Resteront ensuite les photons, neutrinos, électrons et anti-particules. Il y a expansion continue de l'espace-temps.

- Vers 10⁷¹ années, 1 électron et 1 positron forment 1 atome de positronium. Ces atomes auront les dimensions de l' Univers actuel, mais ils seront tout de même beaucoup plus petit que l' Univers de ce temps-là. Univers actuel, mais ils seront tout de même beaucoup plus petit que l' Univers de ce temps-là.

- Mais les charges contraires des électrons et des positrons feront qu'ils s'attireront toujours, quelle que soit la distance qui les séparera, pour s'annihiler vers 10¹¹⁶ ans. Tout est fini, sauf ...
si le proton est stable

Dans la nature, l' élément le plus stable est le fer. C'est l'effet tunnel qui va assurer la transformation des atomes en atomes de fer. Une naine noire, résidu d'hydrogène et d'hélium, devient une boule de fer en 10¹⁵⁰⁰ ans. Mais il y a plus stable: une nuée de neutrons. Grâce à l'effet tunnel, tous les protons deviennent des neutrons.

Vers 10⁶⁵ années après le Big bang, l'état solide n'existe plus. Mais certains neutrons s'évaporent. Alors, un neutron seul dans l'espace ne vit que 20 mn. Ainsi disparaissent une partie des neutrons. Les autres se concentrent dans des trous noirs bang, l'état solide n'existe plus. Mais certains neutrons s'évaporent. Alors, un neutron seul dans l'espace ne vit que 20 mn. Ainsi disparaissent une partie des neutrons. Les autres se concentrent dans des trous noirs microscopiques qui disparaîtront vers (10¹⁰)^{^⁷⁶}ans .

Le plus long dans l'infini, c'est surtout la fin. Woody Allen

Puzzle de physicien

Les scientifiques ont fait une découverte inattendue dans un mini Big bang. Ils ont recréé la température qui régnait dans l’ Univers primitif, pendant la première µs (microseconde) et les événements ne se sont pas déroulés tout à fait comme prévu. Les scientifiques pensaient bien connaître l’interaction énergie-matière et la force électronucléaire forte avant d’entreprendre des expériences dans le RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider). Mais les résultats font apparaître une faille dans le raisonnement selon Steven Manly, professeur à l’université de physique et d’astronomie de Rochester et co-auteur de ce papier en date du 17 nov 2002. La nature des interactions dans un milieu chaud et dense ou au moins ses manifestations, change selon l’angle avec lequel elle est regardée. Les chercheurs en ignorent la raison. De nouveaux morceaux furent ajoutés au puzzle et ils sont en train d’essayer de voir comment cela s’emboîte.

Au RHIC à Brookhaven, New-york, Manly et ses collaborateurs qui travaillent sur le programme PHOBOS, ont voulu sonder la nature de la force électronucléaire forte qui permet la cohésion de l’atome. Ils ont projeté 2 atomes d’or, l’un contre l’autre pour tenter de créer un plasma de quark-gluon, représentant une brève période où la température est des dizaines de milliers de fois plus élevée qu’à l’intérieur des étoiles les plus chaudes. Des particules jaillissent de cette soupe primordiale sans se heurter avec d’autres particules. C’est un peu comme si nous désirions sortir d’une pièce bondée, le plus difficile étant de sortir. La vigueur des interactions entre les particules dans ce plasma, déterminée par la force du flot de particules observées avec minutie, peut révéler beaucoup de choses sur les forces opérant à de telles températures.

Pour simplifier leurs observations, les chercheurs ont projeté l’un contre l’autre des atomes d'or sur une trajectoire légèrement décentrée de sorte que la zone de l'impact ne soit pas de forme circulaire, mais plutôt ovale. Ceci afin de forcer les flots de particules à s’orienter vers l’une des extrémités de l’ovale pour en savoir plus sur le plasma plutôt que sur une particule adjacente, chargée. Les différences dans la quantité de particules s'échappant à l’extrémité opposée devait révéler quelque chose sur la nature du plasma et peut-être quelque chose sur la force électronucléaire forte elle-même.

Mais une surprise attendait les chercheurs. Au moment où les atomes se sont heurtés, les particules prirent plus de temps de sortir à l’extrémité de l’ovale que sur les côtés, plus loin de l’impact. Cela défit la loi d’invariance*. « Lorsque les résultats furent présentés à la conférence de Stony Brook, l’assistance n'en croyait pas ses oreilles » raconte Manly. « Ils dirent que ce n’était pas possible. Il y a une violation de la loi d’invariance ». Mais nous sommes allés au-delà de nos résultats pendant plus d'une année et cela se vérifient. Hormis que les scientifiques aient déclaré qu’il leur manquait un morceau du puzzle, la compréhension du phénomène sera plus longue que prévue. Non seulement les physiciens doivent mesurer l’impact où les atomes se sont rencontrés, mais ils doivent aussi mesurer la longueur du plasma, transformant ainsi un problème bidimensionnel en un problème tridimensionnel. Comme dit Manly "cela augmente considérablement la complexité du traitement de chaque nouvelle modélisation".

Modéliser et comprendre de telles collisions est extrêmement important car le chemin qui mène à la condensation du plasma, comme celui de la vapeur d’eau contre une porte de douche, peut expliquer le mécanisme qui donne sa masse à la matière. La provenance de la masse fut longtemps une énigme pour les physiciens. Manly souhaite pouvoir comprendre exactement le comportement du plasma quark-gluon tel qu’il est, pour comprendre le monde dans lequel nous vivons. La compréhension de toute la dynamique de la collision est vraiment capitale pour obtenir les informations attendues. «Il est possible que nous ayons un indice réel de quelque chose de fondamental, qui est quelque chose de différent que nous ne comprenons pas » et ajouta-t-il en souriant: «encore !».

Source: University Of Rochester
http://www.mayanmajix.com/wwwboard/archive/184.html

*La notion d'invariance d'échelle s'appréhende, comme une non propriété : l'absence d'échelle caractéristique. En d'autres termes, on ne peut pas identifier dans le système ou le signal étudié des échelles jouant un rôle spécifique : on doit considérer que toutes les échelles interviennent simultanément. C'est cette «non propriété» que l'on nomme couramment phénomène d'invariance d'échelle, comportement en loi d'échelle ou simplement loi d'échelle, sans chercher à être plus précis, et qui est communément désignée de façon très économique en anglais par scaling. Un renversement de perspective permet également d'envisager l'invariance d'échelle comme la signature de l'existence d'une organisation forte dans les données ou les systèmes. En physique, par exemple, les propriétés d'invariance et de quantités conservées rendent compte, de façon fondamentale, de la structure des systèmes.

Lois d'échelle, fractales et ondelettes
ABRY Patrice, GONÇALVÈS Paulo, LEVY VÉHEL Jacques
Hermes Sciences Publications

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Pour tout savoir sur WMAP:
http://map.gsfc.nasa.gov/m_help.html
http://map.gsfc.nasa.gov/m_mm/sg_parameters.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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Fin de l'Univers (derniers calculs).