Big Bang RCE 2010



Mise à jour le 22 Novembre 2010


CONFÉRENCE "LE BIG BANG POUR LES NULS"
Par Jean-Pierre MARTIN Physicien

Pour les RCE 2010 Cité des Sciences de Paris
Le 13 Novembre 2010 à 12H45

Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur. Voir les crédits des autres photos et des animations.
La présentation complète (en ppt), est disponible sur ma liaison ftp elle s'appelle. : RCE-BIG-BANG-2010-JPM.zip elle est en ppt.
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
REMARQUE : Les comptes rendus des conférences sont mis en ligne au fur et à mesure
Vous vous en apercevrez en allant voir la page du compte rendu général de temps en temps à l'index "conférences", je signalerai les mises en ligne dans la fenêtre des mises à jour du site



BREF COMPTE RENDU
Le CR sera bref car la présentation est disponible sur le Net de même il y aura aussi peu d’illustration, voir plutôt la présentation.


Encore une salle bien remplie, merci au public des RCE..

Désolé pour le titre de la conférence, un peu racoleur, mais je n’en suis pas entièrement responsable, en tout cas il siginifie bien ce que cela veut dire : on va essayer de se mettre à la portée de tout le monde.




Nous allons avec cette conférence tout public, voir comment notre Univers est né dans la douleur du Big Bang et comment il a évolué jusqu’à aujourd’hui avec ses planètes, étoiles , galaxies et amas de galaxies.

Que reste-t-il de ces premiers instants ?
Pourquoi l’expansion de l’Univers s’accélère-t-elle ?
Quelle sera l’évolution de notre Univers ?

On essaiera de répondre à ces questions qui interpellent la physique actuelle.






LES HÉROS DU BIG BANG.


Tout commence avec ce genre de questions : Y a t il d’autres mondes??
On découvre que l’on vit dans un ensemble de milliers et de millions d’étoiles
Y a t il d’autres galaxies?
C’est seulement au XXème siècle que l’on s’aperçoit qu’il y a d’autres galaxies
Et aussi cette question : pourquoi la nuit est-elle noire ?

Si, quelle que soit la direction dans laquelle on porte son regard, nous trouvons une étoile, pourquoi le ciel nocturne n'est-il pas uniformément brillant ?
De la Renaissance au XXe siècle, les considérations cosmologiques et les progrès des sciences ont proposé différentes solutions.

En fait si l’Univers était isotrope et immensément grand et avait un nombre infini d’étoiles, le ciel devrait briller de mille feux
Si la répartition des étoiles est uniforme, en effet même si on s’éloigne d’un facteur 2, les étoiles qui sont plus loin sont 4 fois moins lumineuses (loi en 1/d2) mais il y en a 4 fois plus (loi en d2), donc on ne perd rien en lumière
C’est ce que l’on appelle le paradoxe d’Olbers, astronome allemand qui l’énonça en 1823 (après que cela eut troublé Halley et Kepler)
Alors pourquoi la nuit est-elle noire??

Et bien c’est qu’une de nos hypothèses ou les deux sont fausses!!!
L’Univers n’est pas infini , il y a donc eu un début il y a quelques 15 Milliards d’années (univers observable) ce qui veut dire que le nombre d’étoiles est fini (même si énorme: 10²¹), la lumière des premières proto étoiles nous apparaît seulement maintenant, due à la VALEUR FINIE DE LA VITESSE DE LA LUMIÈRE
De même si une galaxie située à 15 Gal (milliards) a commencé à émettre de la lumière il y a 10 Ga, on ne la verra que dans 5 Ga à cause de la vitesse de la lumière, sa contribution à la lumière du ciel actuel sera nulle

D’autre part on sait depuis Hubble que les galaxies d’étoiles s’éloignent (expansion) de nous en perdant de l ’énergie (effet Doppler), leurs longueurs d’onde s’allonge (la lumière devient plus « grave », comme la sirène de l’ambulance qui s’éloigne), il y a un déplacement vers le rouge (redshift), leurs lumières ne sont pas aussi brillantes (dans le visible)
Ces radiations transportent de moins en moins d’énergie avec le temps (ou avec la distance)

La nuit est noire car la vitesse de la lumière est finie (horizon cosmologique) et l’univers (qui est lui aussi fini) est en expansion


ALBERT EINSTEIN.

En 1916 un modeste employé du service des brevets de Suisse, Albert Einstein publie sa théorie de la Relativité Générale qui établit un univers statique (il ne croyait pas à l’expansion de l’Univers : sa plus grande erreur dira-t-il) et introduit la notion d’espace-temps; la masse agirait aussi sur la lumière en déformant l’espace
Il établit aussi une correspondance entre masse et énergie, deux faces d’une même carte (E= m c²)



En 1919 un astronome anglais Arthur Eddington prouve la théorie d’Einstein (une forte masse courbe l’espace) lors d’une éclipse célèbre à Sobral.

Durant l’éclipse on note le décalage de position d’une étoile située derrière le Soleil, le déplacement correspond à ce qu’avait calculé Einstein.

Cela provoque immédiatement une très grande notoriété pour Albert.





ALEXANDRE FRIEDMANN.

En 1922 un mathématicien Russe, Alexandre Friedmann construit un modèle d’Univers en EXPANSION
Son principe de base (principe cosmologique) : l’Univers est :
· HOMOGÈNE et
· ISOTROPE
Il résout les équations d’Einstein dans un certain cas.
Il meurt malheureusement très jeune, dommage.


EDWIN HUBBLE.

Vers les années 1920 Edwin Hubble, s’aperçoit que l’Univers est en expansion :
Les galaxies s’éloignent les unes des autres et ceci de plus en plus vite qu’elles sont éloignées de nous. (on s’en aperçoit en mesurant leur redshift, décalage vers le rouge)
En fait c’est le tissu même de l’espace qui enfle, les galaxies elle même ne sont pas affectées.
Analogie : pièces de monnaie collées sur un ballon que l’on gonfle.


GEORGES LEMAÎTRE.

Mais alors, si l’Univers est en expansion, l’abbé Georges Lemaître a l’idée de poser la question :
Et si on rembobinait le film de l’expansion?
Cette expansion, passée en marche AR devrait nous mener à un point où l’Univers était infiniment petit, une sorte de point zéro
C’est ce que l’on va appeler plus tard le Big Bang, l’ «explosion » originelle.
C’était une idée géniale qui a fait son chemin depuis.


GEORGES GAMOV.

George Gamov, ancien élève de Friedmann, astronome américain d’origine russe, lui emboîte le pas en 1935 ; sa chance (?), il a fuit l’Union Soviétique et il n’a pas pendant la guerre la confiance des autorités US, il sera le seul grand physicien à ne pas travailler au projet Manhattan, tant mieux ! Il pourra ainsi faire des découvertes fondamentales en astrophysique.
Il va jouer un rôle très important qui ne sera reconnu que beaucoup plus tard.



Fred Hoyle célèbre astronome anglais ne croit pas à cette explosion originelle, il pense que l’univers a toujours existé (stationnaire), et pour se moquer, un jour à la radio en 1950 il appelle ce temps zéro, qui d’après lui n’existe pas, le Big Bang . Il fait un tabac! Ce nom est à son grand dam accepté par tous et sert en plus à illustrer la thèse de ses concurrents



C’est cette aventure du Big Bang que nous allons vous conter.

Il est impossible de passer en revue tous les évènements qui se sont produits, nous allons essayer d’évoquer l’essentiel.
Accrochez vous bien car cela sera rude par moment!!!
Nous passerons rapidement sur les formules les plus complexes pour ne conserver que les fondamentales
En route!




AU DÉBUT ÉTAIT LE BIG BANG.


Il y a approx 14 Milliards d’années (Ga) se produisit un événement considérable
L’espace et le temps n’existaient pas et de rien (à priori) se produit une explosion de matière

Un nuage de particules se propage dans un Univers naissant
Ce nuage, c’est l’Univers La température est énorme
La densité d’énergie est si grande que la matière qui essaye de se créer est détruite aussitôt par le rayonnement
Il n’y a pas de lumière tellement la densité de particules est importante !!!
L’Univers est opaque
Les photons ne peuvent pas encore s’échapper
La température initiale (10³² K!) commence à chuter

Voyons voir comment ce scénario a pu se dérouler
Ce n’est qu’une supposition confirmée par les faits aujourd’hui, mais qui peut être remis en question demain (comme tout dans les sciences)
Nous ne pouvons imaginer uniquement que ce qui s’est passé après un temps très court, appelé temps de Planck (10^-43s) , car avant, la concentration de l’Univers est telle que les lois physiques actuelles ne sont plus valables

Le principe fondamental :

Dès qu’il s’est formé l’Univers vieillit :
IL ENTRE EN EXPANSION ET DONC SE REFROIDIT (comme le liquide de refroidissement dans un réfrigérateur!!)
Ceci aura pour conséquences que :
Les particules et les photons créés PERDENT de l’énergie et RALENTISSENT
La densité de l’espace CHUTE énormément et les particules interagissent de moins en moins entre elles jusqu’à devenir improbables
En fonction des énergies les particules se changent en photons et réciproquement mais en respectant les lois de conservation de la physique

La physique nucléaire fait appel à des réactions RÉVERSIBLES, c’est une propriété fondamentale
Il existe donc des SEUILS en énergie (donc en température et donc en temps après le BB) en dessous desquels certaines réactions ne peuvent PLUS avoir lieu
En dessous de ces seuils , certaines particules ne peuvent plus être créées par des photons, il y a gel de ces réactions (freeze out)
Ce sont des réactions du genre :
· Photon ßà particule + antiparticule ou
· neutron ßà proton


L’Univers des particules :




Une vue plutôt simpliste de ce monde bizarre et des particules correspondantes :

Les Fermions sont des particules liées à la matière, ce sont tout ce que l’on connaît : les atomes et les molécules

Les Bosons, sont les « messagers » des Forces de la nature (qui sont au nombre de 4) le photon est le plus connu de tous

En résumé :

· FERMION = MATIÈRE
· BOSON = RAYONNEMENT



Avec un peu plus de détails :

Il y a 3 paires de quarks (en plus des anti quarks bien sûr), seuls up et down sont intéressants pour nous pour le moment
Les quarks sont des particules très sociables : ils ne vivent qu’en groupe
Les quarks constituent le tissu de la matière : les protons et les neutrons
Les neutrons sont une sorte de glue isolante (C Allègre) permettant de lutter contre la répulsion entre protons.

Il y a six types de leptons (en plus des anti bien sûr). Les plus connus : l’électron et le neutrino
Contrairement aux quarks, les leptons sont des particules solitaires
Beaucoup sont instables et ne se trouvent pas (plus) dans la nature
Le neutrino est intéressant par contre.

Particule exotique inventée par W Pauli pour expliquer la radioactivité bêta:
Correspond à la transformation d’un neutron en proton
Particule 5 Millions de fois plus légère que l’électron mais sans charge Très difficile à détecter
Des milliers de milliards de neutrinos traversent notre corps toutes les secondes
Particule primitive d’où son importance




Un dernier mot : il existe 4 grandes forces dans la nature qui ont des rayons d’actions tout à fait différents :



L’Univers est gouverné par quatre forces fondamentales : la force forte, la force faible, la force électromagnétique et la force gravitationnelle. Leur portées ainsi que leurs intensités sont différentes. La gravité est la plus faible de ces forces mais a une portée infinie. Également à portée infinie, la force électromagnétique est bien plus puissante que la gravitation. Les forces faible et forte quant à elles ont une portée très limitée et n’agissent qu’au niveau des particules subatomiques. La force faible est moins puissante que la force forte et la force électromagnétique, mais elle est encore beaucoup plus puissante que la gravité. Enfin, comme son nom l’indique, la force forte est la plus puissante des quatre interactions fondamentales.
(texte tiré du site du CERN)





Voilà on a toutes les bases nécessaires pour comprendre la suite, on peut continuer.

Donc, on en était au début du commencement, l’Univers vient d’éclore.

Le graphique suivant décrit toutes les phases importantes de l’évolution de notre Univers, telle qu’on la conçoit aujourd’hui.





LA PRIME ENFANCE DE L’UNIVERS.

Le temps de Planck.
t < 10^-43 sec c’est le plus petit intervalle de temps CONCEVABLE en mécanique quantique, un astronome, le compare au « grain du film » pour une pellicule photographique ou au « pixel » pour les appareils numériques
Correspond à la longueur de Planck : 10^-35 m

L’Univers est des milliards de fois plus petit qu’un atome!
Avant ce temps là, les lois physiques actuelles ne sont plus valables (une nouvelle théorie, celle des cordes, semble émerger, string theory) Il semble qu’à ce moment là, les 4 forces fondamentales de la nature étaient unies
La gravitation va bientôt se séparer des autres forces.

C’est une période de conflit entre la Relativité générale d’Einstein et la Mécanique Quantique de Planck.

C’est un des plus intéressants sujets que doit ,traiter la physique contemporaine, associer ces deux théories !


L’Inflation.

Une expansion ÉNORME de l’Univers se produit entre 10^-35 et 10^-32 sec.
À 10^-35 s la force forte (qui va assurer la cohésion des noyaux) se sépare de la force électrofaible, la gravité est toujours à part.
L’espace se dilate plus vite que la vitesse de la lumière, c’est la période d’inflation
En quelques instants il grossit d’un facteur 10⁵⁰ il devient de la taille …d’une orange!
Mais pourquoi a-t-on eu besoin d’introduire une telle période inflationnaire?



Tout est venu de l’étude du fond diffus cosmologique qui posait de nombreux problèmes, notamment :

Tous les points du ciel (bleus et rouges) ont la même température à 0,001% près!!!

Pourquoi la température de l’Univers est-elle si uniforme (2,725K), il n’y a à priori aucune raison




De même le problème de l'horizon se posait par rapport à cette hypothèse de Big Bang.
Le problème de l'horizon, est en fait lié à la notion de causalité, en effet notre monde est basé sur le fait que la cause précède l'effet. Cela paraît évident mais c'est un problème avec le BB, car les informations ne peuvent pas aller plus vite que la lumière.
Il se trouve que COBE et WMAP ont trouvé l'Univers TROP UNIFORME, comment des régions du ciel si distantes entre elles peuvent elles avoir la même température, car au moment de l'émission elles étaient d'après la théorie du BB trop éloignées les unes des autres.
Il est impossible que toutes ses régions aient eu le temps de s'homogénéiser, surtout les plus éloignées.
Même la matière s'est réorganisée: regroupée en galaxies et amas de galaxies, elle forme des grumeaux dans l'univers.

En 1980/90 pour résoudre cette difficulté, Alan Guth et Andrei Linde et d'autres ont introduit la notion d'INFLATION.
Cette théorie se base sur le fait que l'univers provient d'une région très petite qui s'est enflée (d'ou le nom inflation) approximativement 10^-35 sec après le BB.
Cette période aurait été très courte et aurait fait gonfler l'Univers d'un énorme facteur de 10⁵⁰!!!!!!

Toutes les régions de l’Univers d’avant l’inflation ne sont plus en contact les unes avec les autres, mais elles s’en souviennent (expression de TXT), d’où l’extrême isotropie des températures

Le second effet de l'inflation, c'est de rendre l'univers plat.
En effet, cette inflation augmente toutes les distances de l'univers, y compris son rayon de courbure, qui tend alors vers l'infini.


L’ère des quarks et des leptons .

Rappel : 10^-32 à 10^-12 s
L’inflation laisse place à une expansion plus raisonnable.
Les quarks et anti-quarks sont créés et annihilés de façon permanente
Particules et anti-particules s’annihilent en permanence donnant naissance à de la lumière (photons), qui elle-même se métamorphosent en particules et anti-particules.
Les électrons , neutrinos etc.. sont créés.
Heureusement il y a un léger excédent de la matière sur l’antimatière : un pour un milliard (sinon nous ne serions pas là; mais pourquoi???)
Les quarks vont devenir des briques servant au Lego de la création de matière.

De 10^-12 à 10^-6 s
À 10^-12 s l’Univers est de la taille de l’orbite terrestre. Et il grandit en se refroidissant
Les quarks et les leptons se différencient
Leptons : électrons et neutrinos
La force électrofaible se sépare en force électromagnétique et force faible, les quatre forces connues sont maintenant bien séparées.

La température est de 10¹³ K
L’univers est toujours sous forme de plasma.


LA NUCLÉOSYNTHÈSE.

L’âge des nucléons.

De 10^-6 à 1 sec T~ 10¹⁰°K
La température baisant, les quarks se combinent pour former des nucléons : protons, neutrons .. (grâce à la colle nucléaire : la force forte)
La production de paires se terminent car la température diminue (l’énergie), il reste un certain nombre de n et p dont la quantité va être déterminante pour le futur
De même la quantité de gamma est beaucoup plus grande que celle des nucléons

De 1sec à 3 minutes
L’espace est maintenant rempli de p, n e, neutrinos et photons
p et n se transforment l’un en l’autre

Neutron contre proton.

La nature n’a pas été favorable au neutron, il est légèrement plus lourd qu’un proton
Il faut donc plus d’énergie pour créer un neutron à partir d’un proton que le contraire
Son sort en est jeté: le neutron sera mis en minorité dans l’Univers en formation

De plus le neutron « libre » n’est pas stable.
Le neutron se transforme en proton spontanément avec une durée de vie de 10 minutes approximativement.
Quand la température diminue, les neutrons commencent à disparaître jusqu’à un certain équilibre

Quand l’univers refroidit, vers 1 seconde le taux de fabrication de neutrons à partir de protons chute considérablement
Il est plus facile de fabriquer des p à partir des n que réciproquement
IL Y AURA DONC BIEN MOINS DE n QUE DE p DANS L’UNIVERS
Ce rapport est connu et égal à : 5 (n/p = 0,2)
À cet instant il y a 5 fois plus de protons que de neutrons dans l’Univers, et c’est déterminé par le Big Bang!!!!
(joue sur le rapport H/He)
Le proton qui est en surnombre maintenant peut se combiner avec un neutron pour former du Deutérium stable (hydrogène lourd)
Ces réactions sont exothermiques et permettent ainsi toute une chaîne de réactions qui vont aboutir aux premiers éléments fondamentaux t.q. l’Hélium
He = brique qui va servir de base aux autres éléments

C’est la nucléosynthèse primordiale.

Mais il y a aussi des gamma :
En fait il y a plein de photons, 10⁹ fois plus que de protons
Donc les réactions nucléaires inverses sont aussi possibles comme dit dans le préambule
Il y a COMPÉTITION entre création et destruction de matière, le facteur crucial va être la température, donc le temps
Plus elle baisse, moins la destruction de matière est favorisée, plus on crée d’éléments nouveaux tel l’Hélium (He)

Des neutrons sont utilisés dans cette production d’He et les neutrons sont aussi instables.
Les lois de la physique (Eq de Boltzmann) déterminent les quantités et au bout de 3 minutes d’age on a le rapport définitif:
Nn/Np = 0,15
IL Y A 7 FOIS PLUS DE PROTONS QUE DE NEUTRONS DANS L’UNIVERS
Ce qui veut dire ramené en masse d’Hélium:
ABONDANCE DE L’HÉLIUM : 25% (1/4 de l’Univers est de l’Hélium) et 10% en atomes LE RESTE = HYDROGÈNE
Ce facteur ne vas plus beaucoup évoluer au cours du temps, l’Hélium est le marqueur du Big Bang!

Et la suite des éléments chimiques??

Élémentaire, on procède par FUSION , mais
Les éléments 5(He) et 8(Be) sont MAUDITS
Ils donnent des noyaux instables qui se désintègrent (trop) rapidement, le ciment ne tient pas!
La machine à synthétiser les éléments s’arrête.


En résumé 3 minutes après le Big Bang :

L’Univers est composé de H et He (dominants) et de traces de D, He3 et Li7
Mais la température baisse rendant les fusions ultérieures impossibles (1 Milliard K)

LA NUCLÉOSYNTHÈSE PRIMORDIALE EST ÉTEINTE, l’Univers est complètement ionisé (noyaux + et électrons -)
L’univers est figé en composition, il y a en masse 25% He et 75% H.
Il faudra attendre des milliards d’années pour voir sa composition changer (légèrement)


LE BIG FLASH OU LA LUMIÈRE SORT DES TÉNÈBRES.

L’Univers devient ennuyeux pendant une très longue période.

Pendant les quelques centaines de milliers d’années qui vont suivre, la température baisse
Elle baisse au point de ramener les électrons à un état plus normal, ils vont pouvoir se combiner avec les nucléons pour former enfin des…ATOMES : électrons tournant autour des noyaux.

Cela ne peut arriver que vers 3000°K, c’est à dire après approx 380.000 ans!!!
Les électrons ne gênent plus les photons, la lumière peut enfin s’échapper, l’univers devient TRANSPARENT

La gravité va pouvoir prendre le dessus!
C’est l’ère de la MATIÈRE qui commence

C’est la première lumière qui sort de l’Univers et qui se détecte aujourd’hui, c’est le CMB.
C’est une sorte de bruit de fond présent partout (lumière fossile!)
Il correspond à l’émission des photons originaux il y a près de 380.000 ans.
Ces photons ont subi au cours du temps un décalage vers le rouge par effet Doppler, et correspondent aujourd’hui à une émission dans le domaine des micro-ondes (mm) Il correspond à une température de 2,7°K
C’est George Gamov dans l’immédiat après guerre, qui le premier imagine ces premiers instants de l’Univers et prédit l’existence du reste de cette émission de photons, une sorte d’émission fossile ou d’écho que l’on va appeler le bruit de fond cosmologique (CMB).
Il sera détecté seulement en 1965 (Wilson et Penzias, prix Nobel).

L‘Univers était 1000 fois plus petit et 1000 fois plus chaud que maintenant à cette époque.
La détection de ce CMB par COBE, WMAP et maintenant Planck est une des preuves de l’existence du Big Bang.

À se souvenir, quelques points de repères (ordre de grandeur) entre températures, age et énergie :

T = 10¹² °K t = 10^-6 sec (100 Mev)
T = 10¹⁰ °K t = 1 sec (0,5 Mev)
T = 10⁹ °K t = 3 min (0,1 Mev)
T = 10⁸ °K t = 1 heure (10 kev)
T = 3000 °K t = 300.000 ans (1 ev)
T = 2,7 °K t = aujourd’hui (0,25 mev)


Les ages sombres.

Bizarrement, la suite du premier flash lumineux que l’on remarque aujourd’hui : le CMB, est suivi d’une période sombre
En effet les étoiles et galaxies que l’on connaît, ne sont pas encore formées et ne peuvent pas briller.
L’Univers est donc sombre, cette période va durer plusieurs centaines de millions d'années, jusqu'à la formation des proto galaxies et proto étoiles très différentes de celles d’aujourd’hui, elles produisent d'intenses rayonnements UV.
Mais les UV ont la propriété d'ioniser les atomes c'est la raison pour laquelle cette phase est appelée ré-ionisation car la première ionisation était primordiale au moment du Big Bang
Mais revenons à nos éléments chimiques…..


LES AUTRES ÉLÉMENTS CHIMIQUES, OÙ SONT ILS ?


En effet, où sont les autres éléments auxquels on est habitué, et dont nous sommes principalement constitués,
tels que carbone, oxygène, etc..
La température est trop basse (10⁹K) dans l’Univers, ils ne peuvent pas se former par nucléosynthèse
Il faut attendre l’ère des galaxies et des étoiles
Les galaxies et les étoiles se forment par agglomération de matière (des grumeaux de la pâte à crêpes originelle)
Cela va prendre quelques centaines de millions d’années


Au fur et à mesure que le temps s’écoule, la gravité devient la force dominante
H et He s’assemblent forcés par la gravité , ils forment les noyaux des galaxies naissantes
Les nuages de poussières de ces galaxies en formation favorisent aussi le démarrage de proto-étoiles
Les forces dues à la gravité dépassent les forces électrostatiques qui luttent contre
il y a démarrage des réactions thermonucléaires
C’est la Nucléosynthèse stellaire

Les premières étoiles se forment, c’est la première génération.
Ces étoiles n’ont que H, He, Li a leur disposition, il va falloir qu’elles s’en contentent
Avec de tels constituants on ne peut créer que des étoiles beaucoup plus massives que notre Soleil (5 à 10 fois plus massives)
Elles ont une duré de vie très faible : quelques millions d’années seulement, c’est ce qu’on appelle les étoiles de la population III (elles n’existent plus aujourd’hui, en principe)
Mais en mourant elles vont devenir des …SUPERNOVAS

Ces premières étoiles déclenchent en leur cœur des réactions de fusion nucléaire
L’hydrogène brûle en donnant de l’Hélium puis d’autres réactions sont rendues possibles grâce à la température qui augmente : globalement on a


C’est ce qu’on appelle la chaîne p-p (proton proton)
Tant que l’étoile a de l’H, tout va bien (c’est le cas du Soleil en ce moment), une fois H consommée (notre Soleil par exemple, brûle 600 millions de t d’H par sec) , elle s’écroule sur elle même, T augmente
On notera que plus l’étoile est lourde et plus elle brûle vite son H, sa température ~10⁷°K
L’étoile étant très massive , une fois H brûlé, son cœur est très chaud
Cela autorise la fusion de l’Hélium en Carbone : réaction triple alpha :
3 ⁴He --> ¹²C
Si la température est encore plus élevée ¹²C + ⁴He --> ¹⁶O + g

Il y a de plus en plus contraction de la matière au centre (structure en oignon) les éléments sont crées petit à petit dans l’ordre de la table de Mendeleïev

Elle brûle tous ses constituants les uns après les autres : H, He, C, O, Ne, Mg, Si jusqu’à produire du Fer en son noyau jusqu’à arriver au corps le plus stable de l’Univers : le Fer 56Fe puis STOP!!!!
Ces différentes combustions se produisent par couches successives qui contiennent ainsi les restes des combustions précédentes, qui deviennent le carburant de la nouvelle combustion
Une quantité énorme de chaleur est produite et aboutit à :
Une super Géante rouge qui va se transformer en super nova



ET APRÈS LE FER ???


Le Fer est atomiquement très stable; car sa fusion comme sa fission consomment plus d’énergie qu’elles n’en produisent
On dit que ce sont des réactions endothermiques
Il reste donc au centre de l’étoile et lorsqu’il atteint une certaine masse « critique » (masse de Chandrasekhar) il s’effondre sur lui même Il y a explosion de l’étoile en une super nova


Cet événement est très brutal et émet d’énormes quantité de neutrons qui vont permettre la fabrication d’éléments nouveaux, plus lourds que le Fer et qui vont se propager et ensemencer l’espace.
Nous sommes les enfants des super novae !!

En explosant les premières super novae essaiment l’espace d’éléments lourds (lourds pour les astronomes, cela veut dire supérieurs à He, on dit aussi métallicité) qui vont être les points de cristallisation de nouvelles étoiles
Celles ci sont de plus en plus riches en éléments lourds, pour aboutir à notre génération d’étoiles (population I) et à nous





Est ce le bout du chemin?


DEUX NOUVEAUX : MATIÈRE ET ÉNERGIE SOMBRES.



En étudiant (Fritz Zwicky dans les années 1930, astronome très astucieux et au caractère pour le moins ombrageux) la vitesse de rotation des bras de galaxies, on s’est aperçu qu’elle n’obéissait pas aux lois connues (Kepler)
La vitesse devrait décroître en s’éloignant du centre Ce n’était pas le cas
Il y avait donc une masse invisible qui semblait être présente sur les bords.

Comme souvent quand les scientifiques ne savent pas ce que c’est, ils ajoutent à ce phénomène l’adjectif …..noir ;
c’est donc de la matière noire (dark matter en anglais)qui vient d’être mise au jour.




Mais ce n’est pas tout :

On est dans un Univers en expansion, tout le monde le reconnaît, mais…
Une accélération de l'expansion de l'Univers, a été mise en évidence récemment; et ceci en se basant sur la mesure de distances des Super Novæ de type SN Ia, celles-ci sont très recherchées par les astronomes, car elles servent de bornes kilométriques dans l’espace (on dit chandelles standard ou « standard candles » en anglais).
On serait soumis à une force ou une énergie qui s’opposerait à la gravitation et qui serait donc repoussante
Il semble donc que l'expansion de l'Univers ait été freinée par la gravité pendant les premiers milliards d'années, et se soit mis à accélérer il y a entre 5 et 8 milliards d'années jusqu'à maintenant.
Cette énergie qui doit être énorme baigne tout l’univers

On l’appelle l’énergie sombre (dark energy) ou l’énergie du vide (vacuum energy)

Ces deux formes de matière/énergie sont prépondérantes dans la composition de l’Univers.



En fait elles correspondent à la grande majorité de l’Univers

Nous, la matière visible (êtres humains, animaux, cafards, étoiles), , ne représenterions que quelques % de l’ensemble!!

Cela devrait nous rendre humbles !!
Plus de 95% de l’Univers nous est inconnu!


Une image : On ne voit que l’écume de l’Océan et pas l’Océan lui même!!






CONCLUSION.

13,7 Ga après le BB, c’est notre époque, on est au bout du chemin
Nouvelles générations avec des éléments plus lourds
L’Univers est à 3K et sa densité est extrêmement faible.

Il a une structure en…éponge vu à grande échelle.

RÉSUMÉ.

Ce qu’il faut retenir du Big Bang :

Le temps et l’espace sont créés brutalement (pourquoi?) à un moment que l’on appelle le Big Bang.

Dans les tout premiers instants une soupe très dense de particules s’agitant dans tous les sens donne naissance aux briques élémentaires des éléments Puis certaines particules vont s’associer pour donner des noyaux d’H et d’He
Les électrons s‘y associent plus tard : les atomes de H et He sont créés puis Be et Li
La densité de matière est encore énorme, l’Univers est toujours opaque
Puis la température baissant, vers les 3000°K, les particules se calment
La matière se combine et les photons s’échappent l’Univers devient TRANSPARENT (380.000 ans)

TOUT CE QUI EST < 380.000 ANS EST À JAMAIS MASQUÉ À NOS YEUX, NOUS NE POURRONS JAMAIS LE VOIR MÊME AVEC LE PLUS PUISSANT DES TÉLESCOPES
Ce qu’il en reste c’est le bruit de fond à 3°K

Les premières galaxies et étoiles vont apparaître, elles sont « simples » constituées principalement de H et He (nucléosynthèse primordiale), les autres éléments n’existant pas encore.
Mais les premières étoiles créées ont leur cœur en fusion, de nouveaux éléments lourds sont créés jusqu’au Fer. C’est la nucléosynthèse stellaire.
Ces étoiles très massives vont disparaître dans une explosion (super novae) génératrice d’éléments encore plus lourds qui vont ensemencer l’espace et donner naissance au monde actuel.


J’ai essayé de résumer tout cela dans ce petit tableau probablement incomplet :







ET L’ANTI MATIÈRE ? ET L’AVENIR DE L’UNIVERS ?


Ah oui on l’avait oubliée, à la création il y eut autant de matière que d’anti-matière
Mais alors où est cette anti-matière?
Ça c’est une bonne question et on n’est pas sûr d’avoir la réponse
On pense que la quantité de matière créée a été légèrement supérieure à son anti ce qui a mis un terme rapidement à presque toute l’anti-matière, mais ON EST SÛR DE RIEN

C’est un des grands problèmes de la cosmologie actuelle


Quant à l’avenir de l’Univers, il dépend de sa forme
Ouvert ou fermé ou plat

Aux dernières nouvelles on pense qu’il pourrait être plat (au sens cosmologique du terme)


UNE DERNIÈRE QUESTION POUR LA ROUTE :


Certains se posent cette question : (principe anthropique)
Est-ce un hasard extraordinaire qui nous permet de vivre dans l'Univers actuel?

En effet, les constantes fondamentales sont choisies de telle façon qu'une toute petite variation de leur valeur mènerait à un Univers stérile et sans complexité. L’Univers aurait-il été créé en vue de l’apparition de l’Homme ?

Alors, hasard ou non?? Cela pose un vrai problème; en effet comment se fait-il que ces paramètres soient si "parfaits"?
cela a-t-il été fait pour que la vie apparaisse (principe anthropique fort) ou est-ce un incroyable hasard ou fait-on partie d'un ensemble plus vaste, un Multivers dont nous serions le composant avec "vie" (principe anthropique faible).
Avons nous la chance d’habiter un Univers fertile (comme le dit Hubert Reeves)?

Personne n’a encore la réponse.


I’ll be seing you !! (c’est le “bonjour chez vous” original de la série Le Prisonnier)



POUR ALLER PLUS LOIN :

BIBLIOGRAPHIE :

« Le roman du Big Bang » par S Singh chez Lattès
« Dernières nouvelles du Cosmos » de Hubert Reeves Édition du Seuil à posséder absolument
« Généalogie de la matière » par Michel Cassé Éditions Odile Jacob
« Pour la Science » dossier sur G Lemaître le père du Big Bang (Fev 2007)
« The Big Bang » par Joseph Silk WH Freeman & Co New York (existe maintenant en français)
« Bizarre Big Bang » par Ph Miné chez Belin
« La mélodie secrète » par TXT chez Folio.

SITES INTERNET :

Le siècle d’Albert Einstein, séminaire UNESCO de 2005.

Einstein avait-il raison ? CR de la conf IAP de C Will.

Gravitation et Cosmologie, CR de la conférence IAP de N Deruelle.

L’histoire du Big Bang CR de la conférence SAF de JP Luminet.

Particules et Big Bang, CR de la conférence RCE de Michel Spiro du LHC.

Les constituants du Modèle Standard : particules élémentaires et interactions fondamentales par l’IN2P3.

Zoologie des particules élémentaires par le site Onversity.

La découverte du Big Bang CR de la conférence IAP de Jim Peebles.

La découverte du CMB par R Wilson CR de la conférence AMA 09.

L’énergie noire CR de la conf SAF d’A Bouquet.

La matière noire CR de la conf SAF de F Combes.

Un astronews sur l’énergie noire.

L’anti matière miroir de l’Univers par le CERN.
.

Sur les constantes, cette conférence de G Cohen Tannoudji.

Les constantes fondamentales CR de la conférence de R Lehoucq aux RCE


Le Big Bang expliqué par l’Observatoire de Paris.

La première seconde de l’Univers par Astropolis




Bon ciel à tous

Jean Pierre Martin Commission de cosmologie de la SAF
www.planetastronomy.com
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