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L'ESSENTIEL SUR... Les galaxies

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L'ESSENTIEL SUR...
Les galaxies


Publié le 30 avril 2017
       
Notre Univers est composé de nombreuses galaxies, dont notre galaxie la Voie Lactée. Mais qu’est-ce qu’une galaxie ? Toutes les galaxies se ressemblent-elles ?  Comment les étudier et les décrire ? Quels sont les enjeux de la recherche sur ces objets spatiaux ? Lumière sur les galaxies.

QU’EST-CE QU’UNE GALAXIE ?

Dans le passé, l’Homme n’a observé que des « tâches floues », des nébuleuses de lumière dans lesquelles les premiers télescopes ne permettaient pas de distinguer individuellement les étoiles. Au fil du temps, les outils d’observation se sont améliorés. Ce n’est finalement que dans les années 1920 que les galaxies ont été décrites comme des systèmes constitués de milliards d’étoiles, de gaz et de poussières interstellaires. Les astrophysiciens ont aussi pu mettre en évidence un déplacement des galaxies et un mouvement de rotation de celles-ci sur elles-mêmes. Ce mouvement suggère que quelque chose d’autre, de très massif, compose également les galaxies. Cette matière invisible - car n’émettant pas d’elle-même de la lumière - , se manifeste seulement par la force gravitationnelle qu’elle exerce sur les étoiles dans une galaxie. Elle est dénommée par les astrophysiciens  « matière noire ».
A l’échelle de l’Univers, on peut assimiler une galaxie à un objet spatial unique, certes gigantesque et extrêmement massif, mais dont tous les éléments forment un ensemble cohérent, liés entre eux par la gravitation.


LES GALAXIES SONT-ELLES TOUTES SEMBLABLES ?
Dans l’Univers, il existe des centaines de milliards de galaxies qui se différencient par leur composition, leur âge, leur couleur, leur forme, leur activité et leur évolution.

Quel est le moteur de l’évolution
des galaxies ?
Les galaxies créent en leur sein de nombreuses étoiles et une même galaxie peut contenir plusieurs générations d’étoiles. Lorsqu’une galaxie produit beaucoup d’étoiles de manière simultanée, elle génère une « flambée de formation d’étoiles ». Les astrophysiciens considèrent que l’évolution des galaxies est liée à leur capacité à fabriquer des étoiles. Lorsqu’elle ne produit plus d’étoiles, une galaxie meurt. Mais cela ne signifie pas qu’elle se désintègre ou que toutes les étoiles s’y éteignent, certaines continueront à « vivre » pendant des dizaines de milliards d’années.

Comment évolue la composition
des galaxies ?

La composition des galaxies n’est pas immuable. Aujourd’hui, si 10%  de la masse d’une galaxie est composée de gaz, celui-ci représentait la moitié de sa masse il y a 9 milliards d’années. Cela signifie que quand l’Univers était plus jeune, il y avait une autre organisation des étoiles et des nuages de gaz interstellaire au sein des galaxies. De même, les poussières stellaires ne se sont formées qu’au fil de l’existence de l’Univers.

Quelles sont les grandes familles
de galaxies ?

Les galaxies spirales (l’essentiel des galaxies) contiennent de 10 à 100 milliards d’étoiles et produisent de 1 à 1 000 étoiles/an. Ces galaxies sont souvent constituées de bras qui s’enroulent sous forme de spirale en raison d’ondes de densité, des accumulations de matière liées à la rotation de la galaxie. Les galaxies elliptiques et irrégulières ont, quant à elles, un mouvement de rotation sur elles-mêmes moins prononcé. Les galaxies elliptiques (environ 20 % des galaxies de notre Univers) contiennent de 10 millions à 1 000 milliards d’étoiles. Celles-ci sont souvent très âgées au contraire des galaxies dites « irrégulières » (très peu nombreuses) qui abritent de 100 millions à 10 milliards d’étoiles, essentiellement très jeunes. Lorsque la masse d’une galaxie dépasse 10 milliards de fois celle du Soleil, on parle alors de galaxie massive et la plupart des chercheurs pensent qu’elles possèdent également un trou noir supermassif en leur centre.

LA COLLISION DES GALAXIES, 
UN BILLARD SPATIAL ?

Une galaxie se déplace dans l’espace et peut entrer en collision avec une autre galaxie, menant à une modification importante de leur forme. C’est essentiellement la gravité qui fait interagir ces corps stellaires. Mais une collision de galaxies ne signifie pas un choc violent d’une étoile contre une autre étoile car l’espace est très important entre les étoiles et ces collisions sont très rares. Seuls les nuages de gaz peuvent s’entrechoquer car ils sont beaucoup plus diffus. Le gaz va alors se comprimer et s’échauffer puis se refroidir, pouvant créer au passage de nouvelles étoiles.

Deux galaxies différentes peuvent aussi fusionner, menant à une réorganisation de la matière à l’intérieur d’un nouvel ensemble unique : les étoiles vont réorganiser leurs orbites et des étoiles peuvent même être éjectées en dehors de la galaxie fusionnée. La forme d’une galaxie, telle une cicatrice pour un humain, peut donc nous renseigner sur les événements ayant eu lieu dans sa vie.


ET LA VOIE LACTÉE ?
Contrairement à ce que l’on pourrait penser, la Voie Lactée, notre galaxie, qui nous entoure et dans laquelle le système solaire évolue, est assurément la plus connue mais également l’une des plus difficiles à observer et à étudier à l’échelle globale. Alors que l’on observe facilement les systèmes stellaires voisins, il est difficile de déterminer la couleur ou encore la masse totale des étoiles qui composent la Voie Lactée comme on le fait pour les autres galaxies. On ne peut en effet en sortir physiquement, pour en prendre une photographie d’ensemble. C’est pourquoi nous devons nous contenter d’observer la Voie Lactée depuis notre planète en émettant des hypothèses sur son évolution et son histoire. En réalisant un panorama du ciel qui nous entoure, on constate que la distribution des étoiles est aplatie et concentrée le long d’une bande laiteuse qui a donné le nom de la Voie lactée : cela signifie que nous ne sommes pas au centre de notre galaxie. Puis, en considérant le nombre d’étoiles dans toutes les directions, leur distance par rapport à notre système solaire, et en comparant ces observations à d’autres galaxies proches aux compositions et morphologies similaires, il est possible de reconstituer la forme et les bras de la Voie Lactée.


On a ainsi pu établir que notre Voie Lactée est une galaxie spirale de taille moyenne dont le disque fin comprend des bras spiraux, un bulbe, et un halo diffus d’étoiles et d’amas globulaires.  D’un diamètre d’environ 100 000 années lumières et relativement âgée, elle contiendrait environ 200 milliards d’étoiles et ne créerait seulement qu’une étoile par an. Sa masse (hors celle de la matière noire) est composée à 90 % d’étoiles, environ 10 % de gaz et 0,1 % d’autres corps (poussières, astéroïdes et planètes comme la Terre) et enfin à 0,1 % correspondant à son trou noir central. Celui-ci est 4 milliards de fois plus massif que le Soleil et nommé Sagittarius A*. Enfin, l’observation du bras d’étoiles Sagittaire nous apprend que la Voie Lactée est en partie le résultat de fusions avec plusieurs petites galaxies. Les modèles astronomiques prévoient également que notre galaxie fusionnera dans quelques milliards d’années avec la galaxie d’Andromède.


COMMENT OBSERVER ET CONSTRUIRE UNE IMAGE DE GALAXIE ?

Avec des techniques de spectroscopie, il est possible d’observer en lumière visible les étoiles et le gaz. En lumière infrarouge, ce sont les poussières interstellaires, provenant essentiellement des résidus d’étoiles mortes, que l’on peut voir par effet de contraste. Cela permet d’étudier l’évolution des galaxies. Plus les galaxies sont lointaines, plus elles sont difficiles à observer précisément.
En programmant un télescope de manière à prendre un cliché avec une très longue exposition à la lumière, on peut aussi voir plus d’étoiles et des petites galaxies moins lumineuses autour d’autres galaxies.
Cela peut paraître contre-intuitif mais plus une galaxie nous apparaît bleue, plus elle est chaude et lumineuse car constituée majoritairement d’étoiles jeunes. Et au contraire, les galaxies qui tendent le plus vers le rouge sont en moyenne composées d’étoiles âgées. En plus de l’âge des étoiles qui les composent, deux autres facteurs vont influer sur la couleur des galaxies: la quantité de poussières (plus il y en a, plus elles tendront vers le rouge) et l’expansion de l’Univers (qui crée un décalage des longueurs d’onde vers le rouge).


LES ENJEUX DE LA RECHERCHE AUJOURD’HUI ET DEMAIN

Observer des galaxies de plus en plus distantes permet de voir directement le passé car la lumière qu’elles nous envoient a mis des milliards d’années pour nous atteindre. Les astrophysiciens essayent de trouver les galaxies les plus anciennes afin de comprendre à quelle époque de l’histoire de l’Univers celles-ci se sont formées, si elles sont générées à partir d’un trou noir, comment elles ont évolué au cours du temps, comment elles continuent de former de nouvelles étoiles, etc. Etudier la distribution des galaxies dans le tissu cosmique permet aussi d’en apprendre plus sur l’expansion et la géométrie, courbée ou non, de l’Univers.
Cependant, il subsiste encore des débats sur certaines questions concernant les galaxies et notre Voie Lactée. Par exemple, toute la communauté scientifique est d’accord pour dire que la Voie Lactée est constituée d’un disque mais ne s’accorde pas encore sur son épaisseur. Un autre débat : pourquoi les galaxies ont-elles atteint leur pic d’activité en termes de formation d’étoiles il y a environ 9 milliards d’années ? De même, les chercheurs n’ont toujours pas réussi à trouver les étoiles dites de « première génération. » La communauté scientifique cherche aussi à comprendre quel est le rôle des trous noirs dans la dynamique de l’évolution des galaxies.

De nouveaux télescopes, tels que l’E-ELT (télescope géant européen) au sol et le JWST (James Webb Space Telescope) dans l’espace, et des missions spatiales comme la mission Euclid, consacrée à l’étude de l’énergie noire, sont actuellement développés afin de répondre à ces questions. Ils collecteront des données précises sur toutes les longueurs d’onde possibles émises par les galaxies et permettront de découvrir des galaxies plus petites tout en observant avec beaucoup plus de détails celles déjà connues. Ainsi, très récemment, le CEA a dirigé une collaboration internationale qui a détecté le plus lointain amas de galaxies jamais découvert dans l’Univers.

L’observation de cet amas, dont l’instantané a été pris lorsque l’Univers n’avait « que » 2,5 milliards d’années révèle plusieurs galaxies en pleines « flambées d’étoiles. »

 

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L'ASTROPHYSIQUE NUCLÉAIRE Les supernovas

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L'ASTROPHYSIQUE NUCLÉAIRE
Les supernovas



Spectaculaires mais rares, les supernovas sont des explosions cataclysmiques des étoiles les plus massives.
Publié le 10 décembre 2015


Pour que les nouveaux éléments synthétisés au cœur de l'étoile enrichissent l'Univers, encore faut-il qu'ils se répandent dans le milieu interstellaire.

DES ÉTOILES…
Les étoiles dont la masse est à peu près dix fois supérieure à celle du Soleil entretiennent tout d’abord la fusion de l’hydrogène en hélium pendant quelques millions d’années. À la fin de cette période, l’épuisement de l’hydrogène conduit à la contraction gravitationnelle du cœur jusqu’à ce que la température soit suffisamment élevée pour amorcer la fusion de l’hélium en carbone et en oxygène, pendant que l’hydrogène continue sa fusion dans une couche entourant le cœur. Après environ un million d’années, l’hélium s’épuise à son tour et la contraction du cœur permet la fusion du carbone en néon et en sodium, pendant dix mille ans. Suivent ensuite la fusion du néon en oxygène et en magnésium (qui dure une dizaine d’années), puis celle de l’oxygène en silicium et en soufre (pendant quelques années). Finalement, une semaine suffit à transformer le silicium en fer. L’apparition de ce dernier marque le début d’un processus qui aboutira à la destruction de l’étoile.
Le noyau du fer étant le plus lié (son énergie de liaison étant la plus forte), sa combustion ne permet pas de produire l’énergie que l’étoile rayonne inexorablement par sa surface.
Une fois le silicium épuisé et le fer formé, la contraction du cœur reprend, mais, cette fois, la température est si forte que les photons peuvent briser les noyaux de fer. La disparition d’une partie de l’énergie lumineuse diminue la pression centrale et précipite l’effondrement du cœur, attisé par la capture des électrons par les noyaux transformant les protons en neutrons. Cette réaction nucléaire s’accompagne d’une émission de neutrinos, qui emportent la phénoménale quantité d’énergie potentielle gravitationnelle dégagée par la contraction.
En quelques dixièmes de seconde, la matière atteint l’incroyable densité d’un million de tonnes par centimètre cube, l’équivalent d’une plate-forme pétrolière compactée dans le volume d’un dé à coudre !

…AUX SUPERNOVAS
Le cœur de l’étoile, désormais constitué de neutrons, se réduit à une petite sphère d’une dizaine de kilomètres de diamètre : une étoile à neutrons vient de se former, sur la surface rigide de laquelle le reste de l’étoile en effondrement vient s’écraser. La violente compression qui en résulte produit une onde de choc qui remonte à travers les couches externes de l’étoile. Son passage chauffe la matière à des températures supérieures au milliard de degrés et provoque des réactions de fusion qui produisent des éléments lourds, notamment du nickel et du cobalt radioactifs. Quand l’onde de choc atteint la surface, la température s’élève brutalement et l’étoile entière explose, éjectant les éléments qui la composent à des vitesses pouvant atteindre plusieurs dizaines de milliers de kilomètres par seconde. Cet événement, appelé « supernova », marque la mort d’une étoile massive.
Ressource multimédia

Explosion de la Supernova SN2014J

La supernova SN2014J a explosé en 2014. Grâce aux observations du satellite Integral, de l’ESA, qui détecta les rayons gammas des éléments radioactifs synthétisés durant l’explosion, les astrophysiciens ont eu la preuve que ce type de supernova est bien dû à l’explosion d’une naine blanche accrétant de la matière d’une étoile compagnon.

Cette séquence de vues d’artiste représente ces différentes étapes. L’image 1 montre une naine blanche, étoile dont la masse est voisine de celle du Soleil mais comprimée dans un volume équivalent à celui de la Terre, qui capte la matière d’une étoile compagnon.

Les mesures du satellite Integral suggèrent qu’une ceinture de gaz entoure l’équateur de la naine blanche (image 2).

Cette ceinture gazeuse détone (image 3) et déclenche l’explosion de l’étoile en supernova (image 4). La matière transformée par l’explosion entre en expansion rapide (image 5) et finit par devenir transparente aux rayons gammas (image 6).


ENRICHIR L’UNIVERS
L’influence des supernovas sur le milieu interstellaire se fera sentir pendant des millions d’années, car cette explosion propulse les noyaux synthétisés durant toute la vie de l’étoile, ainsi que ceux qui furent produits lors du passage de l’onde de choc.
Petit à petit, les supernovas enrichissent ainsi le milieu interstellaire en nouveaux noyaux, qui entreront dans la composition de futures étoiles et de leurs éventuelles planètes.
Absents au début de l'Univers, ces noyaux lourds ne représentent aujourd'hui que 2 % des atomes de matière. Les noyaux rencontrés sur Terre sont quasiment tous issus de la nucléosynthèse stellaire, et le fer ne provient que des supernovas.
Les chercheurs ont longtemps cru que les supernovas offraient les bonnes conditions pour former les noyaux plus lourds que le fer, au moment de l’explosion, lorsque des noyaux lourds sont exposés à un intense flux de
neutrons.
Selon la masse initiale de l’étoile, l’implosion du cœur de fer laisse subsister un objet compact nommé étoile à neutrons. Des modèles développés ces dix dernières années suggèrent que la formation des éléments les plus lourds, comme l'or, nécessite la rencontre de deux étoiles à neutrons pour former un trou noir. Cet événement se manifeste par l’émission d’un flash de rayonnement gamma durant une fraction de seconde, un « sursaut gamma » si puissant qu’il est observable jusqu'à des distances cosmologiques.
La formation de l’or, et plus généralement des noyaux plus lourds que le fer, passerait donc par l’évolution d’étoiles beaucoup plus massives que le Soleil dont l’explosion donne naissance à des étoiles à neutrons, puis par la coalescence explosive de ces étoiles à neutrons en un trou noir. On comprend pourquoi l’or est cher : il est rare et l’Univers a beaucoup peiné pour le produire !


Nous sommes tous constitués
de poussières d’étoiles.
LES DIFFÉRENTS TYPES DE SUPERNOVAS
À la classification spectroscopique traditionnelle (avec ou sans hydrogène dans le spectre) s’est substituée récemment une distinction physique caractérisant le mode d’explosion : thermonucléaire ou gravitationnel.

 Les supernovas thermonucléaires
Lorsque deux étoiles cohabitent, elles tournent autour de leur centre de gravité commun en un système binaire.
Les supernovas thermonucléaires surviennent dans les systèmes binaires formés d’une géante rouge en fin de vie et d’une naine blanche. La matière de la première peut tomber sur la seconde ; lorsque la masse de la naine blanche atteint 1,4 fois celle du Soleil, elle devient instable, s’effondre et explose.
Toute la matière est dispersée dans l’espace, il ne reste rien au centre de la supernova.

Les supernovas gravitationnelles
Une supernova gravitationnelle correspond à l’explosion d’une étoile massive en fin de vie. L’implosion de son cœur, devenu instable au moment de la combustion du silicium en fer, est rapidement suivie de l’expulsion de son enveloppe. Cet effondrement gravitationnel central libère une fabuleuse énergie (des milliards de fois supérieure à la luminosité de notre Soleil !), essentiellement sous forme de neutrinos. Seul un dix millième de l’énergie totale se manifeste sous forme de lumière visible.

Ces deux variétés de supernovas (thermonucléaires et gravitationnelles) ne produisent pas les éléments dans les mêmes proportions, et ne se produisent pas au même rythme (une thermonucléaire pour cinq gravitationnelles). Les supernovas gravitationnelles produisent en quantité les éléments entre le carbone et le calcium, l’oxygène étant le plus abondant, alors que les thermonucléaires fournissent le fer et les éléments voisins.

Dernières supernovas étudiées
Une supernova peut être visible à l’œil nu depuis la Terre si elle explose dans le périmètre de notre galaxie ou dans les galaxies satellites. Les observatoires et les satellites du monde entier pointent alors immédiatement leurs instruments et leurs détecteurs dans sa direction.


C’est arrivé en février 1987 quand la supernova, baptisée SN1987A, est apparue dans le Grand nuage de Magellan. Elle a permis, en raison de sa proximité d’effectuer une vaste moisson de résultats scientifiques.
Plusieurs rayonnements émis ont pu être observés : la lumière visible, les ondes radio, l’ultraviolet et l’infrarouge. Pour la première fois, un flux de neutrinos a pu être détecté et mesuré. C’était une supernova gravitationnelle.


En septembre 2006, la supernova SN2006gy, dans la galaxie NGC 1260 de la constellation de Persée, a fait sensation quand elle est apparue dans le ciel.
Son pic de luminosité était cent fois plus important que celui d'une supernova classique et cette luminosité s'est prolongée pendant plus de trois mois. Elle pourrait résulter de l'explosion d'une étoile dont la masse dépasserait 100 fois celle du Soleil.


La supernova SN2014J a été détectée en janvier 2014, fruit d’une explosion d’étoile dans la galaxie du Cigare, à seulement 11,5 millions d’années-lumière de la Terre.

Son étude va permettre de peaufiner les modèles informatiques.

 

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La dynamique « agitée »
des anneaux miniatures du Système solaire

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Communiqué de presse

La dynamique « agitée »
des anneaux miniatures du Système solaire

– Sous embargo jusqu’au 19 novembre 2018, 17h CET -
Récemment découverts autour de petits corps, les deux mini anneaux du Système solaire présentent une dynamique totalement originale. Décryptée dans une Lettre de Nature Astronomy en date du 19 novembre 2018, celle-ci a fait l’objet d’une étude scientifique menée par un astrophysicien de l’Observatoire de Paris – PSL, professeur à Sorbonne Université au Laboratoire d’études spatiales et d’instrumentation en astrophysique - LESIA (Observatoire de Paris - PSL / CNRS / Sorbonne Université / Université Paris Diderot).

Jusqu’en 2013, seuls étaient connus les anneaux ceinturant les planètes géantes, les plus spectaculaires d’entre eux étant bien sûr ceux de Saturne. Non sans surprise, les astronomes ont d’abord découvert des anneaux denses autour de Chariklo, un astéroïde de type Centaure, d’environ 250 km de diamètre, orbitant entre Saturne et Uranus. Bis repetita en 2017 : cette fois autour de Haumea, une planète naine, actuellement située à plus de 50 unités astronomiques du Soleil et connue pour être l’un des plus gros objets transneptuniens, avec une forme de cigare dont le grand-axe fait environ 2 300 km.

Au-delà de leur curiosité scientifique, ces anneaux offrent aux astronomes un terrain d’étude complètement inédit pour explorer plus finement les lois de la dynamique céleste à l’œuvre dans le Système solaire. Dirigée par Bruno Sicardy, découvreur des deux mini anneaux, l’équipe scientifique a donc mené une étude théorique. Ses conclusions montrent de grandes différences avec ce que l’on connaît déjà des planètes géantes caractérisées par une morphologie très régulière.
Les irrégularités de ces petits corps – par exemple, une topographie particulière modelée de cratères ou de montagnes, ou une forme extrêmement allongée à l’instar de Haumea - jouent un rôle important sur l’évolution de leurs anneaux. Ces déformations créent une forte interaction entre le corps céleste et ses anneaux, via des phénomènes dits de « résonances ». Le disque est ainsi le terrain d’un processus de migration des particules.
La migration s’opère avec différents scénarios, selon la position des particules : à l’intérieur ou à l’extérieur de l’orbite synchrone1 de l’objet. L’étude montre ainsi que sur Chariklo par exemple, une montagne d’à peine 5 km d’altitude peut causer la chute des particules sur le corps si celles-ci se trouvent initialement à l’intérieur de l’orbite synchrone ; au contraire, elle les repousse vers les zones externes, si elles sont à l’extérieur de cette orbite.
1 Cette orbite - appelée géostationnaire dans le cas de la Terre - correspond au fait que la particule tourne autour du corps dans le même temps que ce dernier effectue une rotation sur lui-même.
Observatoire de Paris - PSL • 61 avenue de l’Observatoire • 75014 Paris • France www.observatoiredeparis.psl.eu
Recherche Formation
Culture scientifique

Contacts chercheurs
Observatoire de Paris - PSL
Bruno Sicardy
Professeur des Universités SU, LESIA
+33 (0) 1 45 07 75 15 bruno.sicardy@obspm.fr
Françoise Roques
Astronome de l’Observatoire de Paris
LESIA
+33 (0) 1 45 07 75 08 francoise.roques@obspm.fr
Josselin Desmars Post-doc ERC Lucky Star, Observatoire de Paris LESIA
+33 (0) 1 45 07 74 92
Stefan Renner
Maître de Conférences Lille-I Observatoire de Paris
IMCCE et Univ. Lille-I
+33 (0) 3 59 31 29 32 stefan.renner@univ-lillle1.fr

Contact presse
Observatoire de Paris - PSL
Frédérique Auffret
+33 (0) 1 40 51 20 29
+33 (0) 6 22 70 16 44 presse.communication@obspm.fr
Surprenant également : ce processus intervient sur le million d’années, c’est-à-dire sur des échelles de temps très courtes, comparées à l’âge du Système solaire, environ 4 500 millions d’années. Si l’on prend en compte les formes allongées de Haumea ou de Chariklo, ces échelles de temps sont encore plus courtes : quelques années seulement, un « instantané » aux échelles de temps cosmiques.
« Ce mécanisme, tel que l’étude le met en évidence, ouvre un champ d’hypothèses nouvelles pour comprendre d’autres situations dans le Système solaire » souligne Bruno Sicardy, premier auteur de l’article. Transposé, il pourrait par exemple aider à expliquer la formation de satellites autour des petits corps. Ainsi un astéroïde ou un objet transneptunien, après avoir subi un impact, pourrait avoir eu son disque initial repoussé au-delà d’une zone (baptisée « limite de roche ») où les effets de marée exercées par le corps, devenant suffisamment faibles, rendent possible l’agglomération du disque sous forme de satellites. D’autres applications sont possibles : comprendre la chaîne de montagnes qui ceinture l’équateur de Japet – un satellite de Saturne –. Elle pourrait être due à la chute d’un ancien anneau qui se serait accumulé sur ce corps.

En tout état de cause, les chercheurs disposent désormais d’un nouvel environnement fourni par la nature, et très différent des planètes géantes, pour mieux comprendre l’évolution des anneaux en général.
Image
Crédit : Rodrigo Leiva, Dpt of Space Sudies, Southwest Research Institute, Boulder
Observatoire de Paris - PSL • 61 avenue de l’Observatoire • 75014 Paris • France www.observatoiredeparis.psl.eu
Légende :
Résultat d’une intégration numérique montrant l’évolution d’environ 700 particules orbitant autour d’un corps allongé de taille et forme similaires à Chariklo (un ellipsoïde d’axes principaux 314 x 278 x 172 km). Les particules sont soumises à une force dissipative qui simule l’effet des collisions.
Après 3 mois (image du haut) la plupart des particules à l’intérieur de l’orbite synchrone (à 190 km du centre de Chariklo) sont tombées sur le corps.
Après une année (image du milieu), toute la zone interne a été vidée,
Après douze ans (image du bas), les particules continuent leur migration vers les zones externes.

Référence
Ce travail de recherche a fait l'objet d'un article intitulé «
B. Sicardy et.al., à paraître le 19 novembre 2018 dans la Lettre Nature Astronomy.
. Ils sont le fruit d’une collaboration internationale comprenant quatre chercheurs français: B. Sicardy (Professeur Sorbonne Université, chercheur à l’Observatoire de Paris – PSL), S. Renner (Maître de Conférences Lille-I, chercheur associé à l’Observatoire de Paris - PSL), F. Roques (astronome de l’Observatoire de Paris – PSL), J. Desmars (post-doc Lucky Star, Observatoire de Paris – PSL), ainsi que trois chercheurs étrangers : R. Leiva, M. El Moutamid et P. Santos-Sanz
Pour en savoir plus
Sur la découverte des anneaux de Chariklo, voir le communiqué de presse du 25 mars 2014 :
https://www.obspm.fr/decouverte-inattendue-d.html
Sur la découverte de l’anneau de Haumea, voir le communiqué de presse du 11 octobre 2017 :
https://www.obspm.fr/premiere-detection-d-un.html
Lien vers le Conseil européen de la recherche (ERC) :
https://erc.europa.eu/projects-figures/stories/haumea-dwarf-planet-reveals-its-ring

 

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1 - La gravité quantique à boucles en 5 questions

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 La gravité quantique à boucles en 5 questions

Bernard Romney dans mensuel 458
daté décembre 2011 -

En quelques années, la théorie de la gravité quantique à boucles, qui cherche à quantifier la gravitation, a changé de statut et gagné une certaine maturité. Quels sont les fondements de cette théorie ?
F in mai 2011, Madrid accueille une communauté particulière de physiciens : tous les spécialistes de la « gravité quantique à boucles » s'y réunissent pour célébrer les 25 ans de l'article fondateur de cette théorie. Dans son allocution, l'auteur de cette publication, le physicien d'origine indienne Abhay Ashtekar, dépeint l'essor actuel de cette approche théorique, notamment en cosmologie. On est donc loin de la théorie longtemps considérée comme exotique, n'intéressant que quelques théoriciens travaillant à une reformulation mathématique de la loi de la gravitation.
Aujourd'hui, ce modèle de quantification de l'espace-temps est cohérent et a acquis une nouvelle assise. Tout tourne autour de l'idée que l'espace n'est plus continu mais formé de petits grains élémentaires. Bien sûr, cette théorie, très difficile à tester, est encore spéculative. Mais décrire la structure intime de l'espace-temps, comme passer « de l'autre coté du Big Bang » motive toute cette communauté de physiciens. « Les boucles » ont passé un cap : c'est donc l'occasion d'en expliquer les fondements.

1 Quels sont les objectifs de cette théorie ?
Imaginée à partir du milieu des années 1980, la gravité quantique à boucles est une théorie qui, comme son nom l'indique, cherche à quantifier la gravité, et tente ainsi de répondre à l'une des questions clés de la physique actuelle. En effet, le début du XXe siècle a vu l'émergence des deux théories de la physique contemporaine. La mécanique quantique qui décrit les propriétés de l'infiniment petit : molécules, atomes, particules élémentaires... Et la relativité générale, théorie relativiste de la gravitation, qui décrit l'Univers à grande échelle. Dans leurs domaines respectifs, ces deux théories font des merveilles. Pour autant, elles sont totalement incompatibles, et conduisent à deux représentations du monde radicalement différentes. D'un côté, des phénomènes quantiques aléatoires, incertains et discontinus, ayant cours dans l'espace-temps parfaitement plat et figé de la microphysique. De l'autre l'espace-temps courbe et dynamique, mais parfaitement lisse et continu de la relativité générale.
Exigence conceptuelle donc, mais pas seulement. En effet, si elles sont peu nombreuses, certaines questions, comme le début de l'Univers ou la fin de vie d'un trou noir, requièrent, pour être abordées dans leur intégralité, une théorie à même de rendre compte de situations où les effets gravitationnels se font sentir à l'échelle microscopique. Ce dont seule une théorie quantique de la gravitation serait capable.
Dès 1916, Einstein prend conscience de la nécessité de quantifier la gravitation. Mais les physiciens y sont d'abord parvenus pour les autres interactions fondamentales : la force électromagnétique et les interactions nucléaires faible et forte. C'est d'ailleurs l'un des triomphes de la physique du siècle dernier d'avoir forgé une théorie à la fois quantique et relativiste de ces trois dernières interactions. Et le résultat de ce tour de force est synthétisé dans ce que les physiciens des particules appellent le modèle standard.
À l'inverse, malgré un siècle d'efforts, personne n'a réussi à proposer une version quantique entièrement satisfaisante de la gravitation. Et pour cause : alors que les outils mathématiques utilisés pour quantifier les autres forces fondamentales ne sont utilisables que dans le cadre d'un espace-temps plat, celui de la gravitation est fondamentalement mouvant.
Pour contourner le problème, plusieurs tentatives ont consisté à étudier le cas de petites déformations de l'espace-temps sur une trame considérée comme plate et fixe. Mais toutes se sont confrontées à d'incontournables incohérences mathématiques les rendant in fine inutilisables.
Aujourd'hui, il existe essentiellement deux grandes théories concurrentes, et à ce stade encore spéculatives, qui proposent de quantifier la gravitation : la théorie des cordes lire L'ambitieuse théorie des cordes, p. 41 et la gravité quantique à boucles. La première évolue sur un espace-temps parfaitement figé. Et c'est ce qu'un certain nombre de théoriciens lui reprochent. Selon eux, pour cette raison, la théorie des cordes ne peut pas être l'ultime théorie quantique de la gravitation. Et ils lui préfèrent la gravité quantique à boucles, a priori plus modeste. N'ayant pas pour ambition d'unifier toutes les interactions, elle se concentre en effet exclusivement sur la quantification de la gravitation. De plus, l'approche « cordiste » part d'une hypothèse ad hoc - l'existence des cordes -, alors que les « bouclistes », et c'est leur force, ne se fondent que sur de la physique connue : la mécanique quantique et la relativité générale.

2 Comment les boucles quantifient-elles la gravitation ?
Pour les spécialistes des boucles, une véritable théorie quantique de la gravitation ne doit formuler aucune hypothèse sur la géométrie de l'espace-temps. Comme en relativité générale, c'est le contenu en matière de l'Univers qui fixe de façon dynamique sa géométrie. Les physiciens parlent ainsi d'approche « indépendante du fond ».
À partir de là, il s'agit d'appliquer les techniques standard de quantification à la gravitation. C'est-à-dire à l'espace-temps lui-même, puisque selon les équations d'Einstein, la force qui fait « tomber les pommes » est une manifestation directe de la déformation que la matière imprime à la trame de l'espace-temps.
Certes, de multiples tentatives ont montré toute la difficulté d'appliquer un tel programme. Mais pour les promoteurs de la gravité quantique à boucles, c'est justement le fait d'avoir privilégié des approches non indépendantes du fond qui a été à l'origine des échecs passés. Car en figeant la trame de l'espace-temps, elles empêchaient que ne se révèle son éventuelle structure quantique.
Concrètement, l'origine de la gravité quantique à boucles réside dans une reformulation de la relativité générale proposée en 1986 par Abhay Ashtekar, alors à l'université de Syracuse, aux États-Unis [1] . L'exercice est d'une extrême technicité mathématique. Sauf que réécrites sous cette forme, les équations décrivant la géométrie mouvante de l'espace-temps ressemblent désormais à celles qui décrivent les lignes de champ électrique dans la théorie de Maxwell. Ce que remarquent Carlo Rovelli et Lee Smolin, alors à l'université Yale aux États-Unis, au tournant des années 1980 et 1990 [2] .
Les deux physiciens suggèrent d'exporter les méthodes utilisées pour dériver la version quantique de l'électromagnétisme, quoique sous une forme très largement remaniée, dans le champ de la relativité générale et de la gravitation. Ainsi naît une théorie quantique de la gravité, dont le nom, gravité quantique à boucles, vient du fait qu'elle s'appuie sur le calcul de la variation de l'orientation de surfaces d'espace le long de lignes fermées d'espace-temps, autrement dit des boucles. Calculs auxquels sont associées des incertitudes fondamentales équivalentes à celles qui, en mécanique quantique, empêchent de déterminer simultanément la position et la vitesse d'une particule microscopique.

3 À quelle vision de l'espace-temps conduit la gravité quantique à boucles ?
En 1994, Carlo Rovelli et Lee Smolin, alors aux universités de Pittsburgh et de Syracuse, montrent que cette théorie conduit à une représentation de l'espace-temps radicalement nouvelle [3] . Alors que l'espace-temps de la théorie d'Einstein est lisse à toutes les échelles, celui de la gravité quantique à boucles, d'après les calculs des deux théoriciens, présente une structure discontinue si on le regarde aux échelles les plus petites.
Ainsi, de la même manière que l'énergie d'un atome ou d'une molécule ne peut prendre que certaines valeurs, la gravité quantique à boucles indique que l'espace lui-même n'est pas insécable à l'infini. Les calculs conduisent à une longueur élémentaire, la plus petite possible, équivalente à la longueur de Planck, soit 10-35 mètre. Ce qui mène à une surface élémentaire d'Univers de 10-70 mètre carré, et en trois dimensions à un volume élémentaire, le plus petit « cube » d'espace envisageable, de 10-105 mètre cube. L'Univers entier devenant alors une sorte de gigantesque « lego » composé de volumes élémentaires certes minuscules, mais insécables. De la même manière que la matière, d'apparence lisse et continue à notre échelle, résulte de l'agencement de particules dont la taille est finie.
Étonnant ? Peut-être. Si ce n'est que ces « grains » d'espace n'ont rien d' ad hoc , mais sont au contraire une conséquence implacable des calculs à base de boucles. Plus précisément, chaque fois que les équations de la théorie parcourent une boucle de façon abstraite, elles engendrent du même coup un nouveau quantum de volume [fig. 1] .
L'année suivante, Carlo Rovelli et Lee Smolin raffinent leur approche. Plus précisément, ils réalisent que la structure granulaire de l'espace peut être décrite par une gigantesque toile, ou réseau, dont chaque noeud représente un volume élémentaire et chaque lien la surface séparant deux volumes adjacents. Cette représentation leur a été inspirée par des travaux réalisés quinze ans plus tôt par Roger Penrose, à l'université d'Oxford. Et c'est donc auprès du célèbre mathématicien que les deux théoriciens peaufinent leurs idées durant l'été 1994, lors d'un séjour à Vérone, en Italie.
Pour autant, cet espace-temps granulaire ne suffit pas à faire alors de la théorie quantique à boucles une théorie quantique de la gravité. Encore faut-il qu'elle indique comment la dynamique de l'espace-temps met en oeuvre ces quanta d'espace dans des situations physiques concrètes, de la même manière que la relativité générale décrit l'extension de l'Univers dans l'espace-temps comme une solution des équations d'Einstein.
Les premières équations d'évolution d'un Univers quantique sont le fait de Thomas Thiemann, alors à l'université de Penn State, en Pensylvanie, en 1996. Accueillies avec un immense enthousiasme, elles laissent entrevoir la possibilité de calculer les probabilités quantiques précises de chaque modification de l'espace-temps quantifiée. Elles conduisent aussi à se représenter ce dernier telle une « mousse » faite de petits volumes d'espace et de temps, la quatrième dimension - le temps - devenant également une grandeur discontinue, dont le plus petit incrément est environ égal au temps de Planck, soit 10-43 seconde [fig.2] .
Néanmoins, l'euphorie est de courte durée : les équations de Thiemann sont si difficiles à manipuler qu'elles ne sont presque d'aucune utilité pratique. Sans compter qu'à l'horizon des années 2000 personne n'est en mesure de garantir l'unicité des règles conduisant à la quantification de l'espace-temps dans le cadre de la gravité quantique à boucle. D'où un risque de conduire, pour une situation physique donnée, à des prédictions différentes et contradictoires et donc d'invalider la théorie.
Aussi faut-il attendre ces toutes dernières années pour que plusieurs physiciens, notamment Laurent Freidel, à l'institut Perimeter, à Waterloo, au Canada, Etera Livine, à l'école normale supérieure de Lyon, et le groupe de Carlo Rovelli, au Centre de physique théorique, à Luminy, prouvent définitivement le caractère univoque de la gravité quantique à boucles [4] . Et en donnent une formulation permettant de l'utiliser pour réaliser des calculs.

4 Quels sont les succès de cette théorie ?
Tout d'abord, la gravité quantique à boucles est la seule théorie qui propose une description quantique de l'espace-temps, et donc de la gravitation, qui intègre à la fois les exigences de la mécanique quantique : description probabiliste des phénomènes physiques, relations d'incertitude, caractère discontinu de la réalité... et le caractère fondamentalement dynamique de l'espace-temps de la relativité générale.
Par ailleurs, John Barrett, Winston Fairbairn et leur groupe de recherche, à l'université de Nottingham en Grande-Bretagne, ont récemment prouvé qu'à grandes échelles la gravité quantique à boucles se résume effectivement à la relativité générale [5] , de même que dans le domaine des faibles champs de gravitation, la relativité générale ne fait qu'une avec la théorie newtonienne.
Dans le même esprit, Eugenio Bianchi et You Ding, à l'université de Aix-Marseille, ont montré que la gravité quantique à boucles permet de décrire certaines propriétés de l'espace-temps en terme de propagation de gravitons, particule élémentaire imaginée être associée au champ de gravité. Et là encore, ses prédictions sont conformes à celles de la relativité générale. Elle permet aussi de retrouver les équations dites de Friedman qui décrivent l'expansion de l'Univers dans le cadre de la théorie d'Einstein de la gravitation.
Mais ce n'est pas tout. L'une des plus grandes réussites de la gravité quantique à boucles concerne la cosmologie. Ainsi, elle permet de dépasser les difficultés posées par la singularité mathématique associée au Big Bang, dont le sens physique est inexistant. Plus précisément, elle montre que notre univers en expansion pourrait résulter du « rebond » d'un univers en contraction qui l'aurait précédé lire « De l'autre côté du Big Bang », p. 46.
Enfin, la gravité quantique à boucles s'est illustrée dans la description de la physique des trous noirs lire « Comment la théorie des boucles voit les trous noirs », p. 44. En effet elle a permis à Carlo Rovelli, dès 1996, de retrouver la formule de l'entropie d'un trou noir. En des termes profanes, l'étrange résultat obtenu au début des années 1970 par Stephen Hawking, à Cambridge, et Jacob Bekenstein, alors à Princeton, selon lequel un trou noir, astre dont la relativité générale indique qu'il est impossible de s'en extraire, émet néanmoins, comme tout corps, un rayonnement thermique lié au fait qu'il possède une température. Et dont le physicien Stephen Hawking avait montré qu'il ne peut s'expliquer qu'en introduisant une dose de mécanique quantique dans la physique de ces astres noirs.

5 Est-il possible de tester la gravité quantique à boucles ?
Sachant que les prédictions de la gravité quantique à boucles concernent des domaines - échelle de Planck de l'espace-temps , Big Bang, trous noirs - totalement inaccessibles à l'expérimentation directe, la réponse est difficile. Et, il y a encore quelques années, d'aucuns auraient assuré que cette théorie, comme du reste toute théorie quantique de la gravitation, ne pourrait jamais être testée. Aujourd'hui, les avis sont partagés. Mais quelques pistes existent.
Ainsi, même s'il n'y a pas consensus sur la question, il n'est pas impossible que la granularité de l'espace prédite par les « boucles » s'accompagne d'une violation du sacro-saint caractère de la vitesse de la lumière. En effet, lorsqu'elle se propage entre les atomes d'un solide, la lumière, si sa longueur d'onde est très grande par rapport à la distance inter-atomique, ne subit pas d'influence du réseau cristallin, comme si elle ne le « voyait » pas. Et sa vitesse est la même que dans le vide. A l'inverse, si sa longueur d'onde est de l'ordre de grandeur de la distance inter-atomique, ou plus petite, elle devient sensible à l'influence du milieu dans lequel elle se propage. Sa vitesse dépend alors de sa longueur d'onde. Il n'est donc pas impossible qu'un photon de très petite longueur d'onde, de l'ordre de la longueur de Planck, puisse voir sa vitesse de propagation dans le vide affectée par la structure quantique de l'espace-temps telle que prédite par la gravité quantique à boucles.

Pour le savoir, les astrophysiciens comptent en particulier sur l'observation de ce qu'ils appellent des sursauts gamma, soit des bouffées de lumière ultra intenses - pendant quelques centaines de secondes, elles sont jusqu'à 10 fois plus lumineuses que toute la galaxie - émis par des galaxies anciennes situées à plusieurs milliards d'années-lumière de la Terre. Ainsi, un décalage constaté dans l'arrivée des photons de différentes longueurs d'onde pourrait être un signe favorable en faveur des boucles.

Autre possibilité : la piste cosmologique. En effet, les calculs montrent que la structure granulaire de l'espace-temps aurait pu imprimer sa marque dans le fond diffus cosmologique, la plus ancienne lumière aujourd'hui observable dans l'Univers. Effets qui pourraient être décelés par les nouveaux télescopes spatiaux. Avec tout de même un bémol : l'impossibilité de prévoir, étant donné l'indétermination qui règne sur certains paramètres de la théorie, si ces modulations dans le fond diffus ne seraient pas plus grandes que l'Univers observable. Auquel cas, même si elles existent, elles resteront à jamais inaccessibles.
Certains « bouclistes » optent enfin pour une approche probabiliste, et se demandent par exemple quelle est la probabilité que la gravité quantique à boucle engendre un Univers compatible avec les propriétés du nôtre. À ce jeu, il sera difficile de vérifier cette théorie.
[1] A. Ashtekar, Phys. Rev. Lett., 57, 2244, 1986.
[2] C. Rovelli et L. Smolin, Nuclear Physics, B331, 80, 1990.
[3] C. Rovelli and L. Smolin, Nuclear Physics, B 442, 593, 1995.
[4] L. Freidel et K. Krasnov, Class. Quant. Grav., 25, 125018, 2008.
[5] J. Engle et al., Nuclear Physics B799, 136, 2008.
LES FONDATEURS DE LA THÉORIE
Abhay Ashtekar, en 1986, alors à l'université de Syracuse, aux États-Unis, propose une reformulation des équations de la relativité générale.
Carlo Rovelli et Lee Smolin, à l'université Yale aux États-Unis, forts de cette reformulation, présentent une nouvelle approche pour quantifier la gravitation : la gravité quantique à boucles.
Lee Smolin et Carlo Rovelli, en 1994, montrent qu'elle conduit à une représentation de l'espace-temps radicalement nouvelle : à très petite échelle, ce dernier possède une structure granulaire.
Thomas Thiemann, en 1996, à l'université de Penn State, en Pensylvanie, établit les premières équations d'évolution d'un Univers quantique.
Laurent Freidel, à l'Institut Perimeter, est l'un de ceux qui ont prouvé ces dernières années le caractère univoque de la théorie.

L'ESSENTIEL
LA GRAVITÉ QUANTIQUE À BOUCLES est la seule théorie qui propose une description quantique de l'espace-temps, et donc de la gravitation.
À LA DIFFÉRENCE de sa concurrente principale, la théorie des cordes, elle ne fige pas l'espace-temps, a priori. C'est la matière qui en façonne la géométrie de façon dynamique.
BIEN QUE DIFFICILE À TESTER, cette théorie connaît d'importants succès, en particulier dans le domaine de la cosmologie.
L'AMBITIEUSE THÉORIE DES CORDES
Apparue au début des années 1980, la théorie des cordes consiste à postuler que toutes les particules élémentaires, qui dans le modèle standard sont considérées comme ponctuelles, émanent en réalité des vibrations de minuscules cordes dont la taille avoisine la longueur de Planck 10-35 mètre. Hypothèse suffisante pour engendrer spontanément, du moins en théorie, une particule dont les propriétés sont exactement celles du graviton, particule élémentaire imaginée par les physiciens pour véhiculer la gravitation. Par ailleurs, cette théorie a la faveur de nombreux physiciens car elle offre également un cadre pour unifier l'ensemble des interactions. C'est-à-dire un cadre dans lequel les quatre forces de la nature semblent émerger d'une unique interaction encore plus fondamentale.

 

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