A l'orée du Cosmos

Alain Omont

Description

Dans un monde où les guerres intergalactiques ont fait irruption sur les écrans, on peine à imaginer que la découverte des galaxies remonte à moins d’un siècle. En réalité, ce fut l’une des étapes clés de l’astrophysique dans la première moitié du XXe siècle, aux côtés de la révélation de l’expansion de l’Univers et de la compréhension de la source de l’énergie des étoiles.

La deuxième moitié du siècle a vu la découverte inattendue d’objets fantastiques et d’événements extrêmes dans l’Univers : étoiles à neutrons, trous noirs, radiogalaxies, quasars, explosions d’étoiles… La cosmologie moderne s’est simultanément mise en place avec le modèle du Big Bang, pour aboutir à une détermination étonnamment précise des paramètres de l’Univers.

L’auteur se propose de raconter l’aventure de l’astronomie du XXe siècle et comment elle a changé notre vision du Cosmos. En dressant le bilan actuel de cette entreprise et soulignant les questions fondamentales qui subsistent, il met en perspective les progrès récents à l’aube du nouveau millénaire : accélération de l’expansion de l’Univers et énergie sombre, matière noire, exoplanètes, fusion de trous noirs et ondes gravitationnelles, pour ne citer que les plus spectaculaires. L’ouvrage offre ainsi une synthèse des connaissances les plus actuelles et de l’état de l’astrophysique, sous une forme concise et accessible, attrayante mais précise, abondamment illustrée de très belles images fournies par les instruments les plus récents.

Alain Omont se trouve au coeur de cette aventure au sein de nombreuses collaborations internationales autour des grands instruments de l’astronomie au sol et dans l’espace. Il a été le premier directeur de l’Observatoire de Grenoble, puis directeur de l’Institut d’Astrophysique de Paris (Sorbonne Université-CNRS) où il est aujourd’hui Directeur de recherche émérite CNRS.

Sujets

• Sciences expérimentales
• Astronomie et astrophysique
• Astronomie
• Astrophysique
• Science
• Big Bang
• Physics
• Astrophysics
• Teoría del Big Bang
• Sciences et techniques
• Physique
• Physical attractiveness

Informations

• Publié par: EDP Sciences
• Date de parution: 09 novembre 2017
• Nombre de lectures: 0
• EAN13: 9782759821938
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 8 Mo

Extrait

À L’ORÉE DU COSMOS Un siècle de révolution dans l’astronomie

Alain Omont

À l’orée du Cosmos

Un siècle de révolution dans l’astronomie

Alain Omont

17, aenue du Hoggar Parc d’actîîtés de Courtaboeuf, BP 112 91944 Les Ulîs Cede A, France

Dans la même collection Les planètes : les nôtres et les autres Thérèse Encrenaz Naissance, évolution et mort des étoiles James Lequeu

La fusion thermonucléaire contrôlée Jean-Louîs Bobîn

Le nucléaire expliqué par des physiciens Bernard Bonîn, préface d’É. Kleîn

La cryptologie Phîlîppe Guîllot

L’aventure du grand collisionneur LHC Danîel Denegrî, Claude Guyot, Andreas Hoecker et Lydîa Roos, préface de C. Rubbîa Le climat : la Terre et les hommes Jean Poîtou, Pascale Braconnot et Valérîe Masson-Delmotte, préface de J. Jouzel Aux origines de la masse : particules élémentaires et symétrie fondamentales Jean Ilîopoulos, préface de F. Englert

Les relativités : espace, temps, gravitation Mîchel Le Bellac

Le temps : mesurable, réversible, insaisissable ? Mathîas Fînk, Mîchel Le Bellac et Mîchèle Leduc

La révolution des exoplanètes James Lequeu, Thérèse Encrenaz et Fabîenne Casolî

Retrouez tous nos ourages et nos collectîons sur http://laboutîque.edpscîences.fr

Imprîmé en France.

©2017, EDP Sciences, 17, aenue du Hoggar, BP 112, Parc d’actîîtés de Courtaboeuf, 91944 Les Ulîs Cede A

Tous droîts de traductîon, d’adaptatîon et de reproductîon par tous procédés réserés pour tous pays. Toute reproductîon ou représentatîon întégrale ou partîelle, par quelque procédé que ce soît, des pages publîées dans le présent ourage, faîte sans l’autorîsatîon de l’édîteur est îllîcîte et constîtue une contrefaçon. Seules sont autorîsées, d’une part, les reproductîons strîctement réserées à l’usage prîé du copîste et non destînées à une utîlîsatîon collectîe, et d’autre part, les courtes cîtatîons justîfîées par le caractère scîentîfîque ou d’înformatîon de l’œure dans laquelle elles sont încorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la proprîété întellectuelle). Des photocopîes payantes peuent être réalîsées aec l’accord de l’édîteur. S’adresser au : Centre françaîs d’eploîtatîon du droît de copîe, 3, rue Hautefeuîlle, 75006 Parîs. Tél. : [phone].

ISBN (papîer) : 978-2-7598-1909-6 – ISBN (ebook) : 978-2-7598-2193-8

Avant-propos

Remerciements

Table des matières

Partie I. Un siècle de révolution dans notre vision de l’Univers

 î

 îîî

e 1 Vue générale de l’astronomie du XX siècle et de son point de départ 1.1 L’astronomîe, clé de notre îsîon du monde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.2 Repères sur l’astronomîe de 1900 et ses lacunes . . . . . . . . . . . . . . . .

1

3 3 8

2 Révolutions scientifique et technique, moteurs de l’astronomie e du XX siècle 25 2.1 Réolutîons de la physîque, clés de l’astrophysîque . . . . . . . . . . . . 25 2.2 Un sîècle de réolutîons technologîques pour l’astronomîe : des télescopes de plus en plus géants et performants . . . . . . . . . . . 27 2.3 S’affranchîr des perturbatîons de l’atmosphère terrestre . . . . . . . . 29 2.4 Eploîter tous les domaînes spectrau de la radîo au rayons X etg34. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 Vîsîter les planètes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.6 Pas de pause dans le progrès des technîques de détectîon et d’eploîtatîon des sîgnau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Partie II. Compréhension des étoiles

 45

3 Fonctionnement général des étoiles 47 3.1 Compréhensîon approfondîe des étoîles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.2 Mystère résolu de l’orîgîne de l’énergîe du Soleîl et des étoîles. . . 48 3.3 La îe des étoîles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.4 Nos atomes sont nés dans les étoîles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.5 Les étoîles sont mortelles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

4 Complexités de la naissance et de la physique des étoiles 65 4.1 Scénarîo général de la formatîon des étoîles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.2 Jeunes étoîles înfrarouges : naîssance dans des cocons poussîéreu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 4.3 Contractîon graîtatîonnelle, accrétîon et dîsques . . . . . . . . . . . . . . 68 4.4 Unîersalîté des couples stellaîres. Rîchesse de leur fîn de îe . . . 70 4.5 Naînes brunes, des mîllîards d’étoîles aortées . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.6 Les étoîles sont toujours au aant-postes de l’astronomîe actuelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.7 Étoîles et écologîe des planètes et des galaîes . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Partie III. Le nouveau monde des galaxies

 79

5 Révélation des galaxies 81 5.1 La reconnaîssance de la nature des galaîes e ne date que du xx sîècle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 5.2 Premîers pas dans le monde des galaîes proches . . . . . . . . . . . . . . 86 5.3 Archîtecture et contenu stellaîre des galaîes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6 Notre Galaxie et son milieu interstellaire 95 6.1 L’eploratîon de notre Galaîe, la Voîe lactée . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 6.2 Une galaîe très ordînaîre. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6.3 Organîsatîon actuelle des étoîles résultant de l’hîstoîre galactîque 99 6.4 Le gaz înterstellaîre, un acteur essentîel de l’éolutîon des galaîes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.5 Autres acteurs du mîlîeu înterstellaîre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.6 Les composantes eotîques de la Voîe lactée. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

7 Des galaxies par centaines de milliards 111 7.1 Des galaîes à tous les âges de leur îe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 7.2 La îe de famîlle turbulente des galaîes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 7.3 Vers la compréhensîon de la formatîon et de l’éolutîon des galaîes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

Partie IV. La cosmologie, science de la globalité de l’Univers

125

8 Naissance de la cosmologie 127 8.1 L’Unîers des galaîes est en epansîon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 8.2 La saga de la confîrmatîon du Bîg Bang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

vi

TabLE DES MatièRES

8.3

8.4

La toute premîère phase de l’hîstoîre de l’Unîers : physîque încertaîne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 Une deuîème phase (« modèle standard du Bîg Bang ») bîen comprîse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

9 Contenu de l’Univers et formation de ses structures 143 9.1 Formatîon des galaîes et des structures de l’Unîers actuel . . . . . 143 9.2 Les paramètres fondamentau de l’Unîers sont mîeu connus que sa physîque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 9.3 L’âge de l’Unîers et les îcîssîtudes de la constante de Hubble . . 148 9.4 Une densîté globale très proche de la densîté crîtîque. . . . . . . . . . . 149 9.5 Nécessîté et nature de la matîère noîre ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 9.6 Une surprîse de dernîère heure, la ré-accélératîon de l’epansîon împlîquant une source d’énergîe cosmîque încomprîse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 9.7 Récapîtulatîon : un modèle d’Unîers înattendu alîdé de multîples façons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

Partie V. Astres singuliers et cataclysmes dans des conditions physiques extrêmes

Un nouveau monde sous le signe de la violence et des singularités

157

158

10 Explosions d’étoiles et leurs singuliers résidus 161 10.1 Physîque etrême de l’împlosîon/eplosîon des supernoae . . . . 161 10.2 Étoîles à neutrons, astres hyperdenses résîdus des supernoae . . 170 10.3 Sursauts gamma, phares encore plus puîssants . . . . . . . . . . . . . . . . 174 10.4 Rayons cosmîques, partîcules messagères de l’Unîers des hautes énergîes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175

11 Trous noirs et manifestations de leur puissance 183 11.1 Trous noîrs, relatîîté générale et Cosmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 11.2 Trous noîrs stellaîres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 11.3 Ondes graîtatîonnelles, propagatîon des ébranlements de l’espace. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 11.4 Les quasars : noueau astres mîlle foîs plus lumîneu que les galaîes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 11.5 Manîfestatîons des trous noîrs super-massîfs et leur înterprétatîon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

À l’orée du Cosmos

vii

11.6 Intîme et orageuse coéolutîon des galaîes et de leur trou noîr. . 200 11.7 Le trou noîr super-massîf de notre Galaîe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201

Partie VI. Planètes proches et lointaines

205

12 Début de l’exploration directe des planètes 207 e 12.1 Les planètes, edettes de l’astronomîe jusqu’au xix sîècle. . . . . . . 207 12.2 Un demî-sîècle sans réolutîon pour la planétologîe. . . . . . . . . . . . 210 12.3 L’homme est allé sur la Lune ! . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 12.4 Nous comprenons l’orîgîne de la Lune et son împortance pour la Terre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 12.5 Très rîche atlas de photos de tous les corps du Système solaîre . . . 216 12.6 Récapîtulatîf des epédîtîons planétaîres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 12.7 Recherche de la îe dans le Système solaîre : où et quand ? . . . . . . 227

13 Irruption dans le monde rêvé des exoplanètes 231 13.1 Eplosîon des découertes de nouelles planètes . . . . . . . . . . . . . . 231 13.2 La majorîté des étoîles possède un système planétaîre . . . . . . . . . . 236 13.3 Varîété surprenante des eoplanètes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237 13.4 La recherche des planètes semblables à la Terre . . . . . . . . . . . . . . . . 238

Conclusion

243

e 14 Un nouveau Cosmos, quels augures pour le XXI siècle ? L’humanité sur le rivage d’un autre monde 245 14.1 Un noueau Cosmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245 e 14.2 Augures pour l’astronomîe du xxi sîècle ? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246

Glossaire

Sigles et missions spatiales

Bibliographie

Les astérîsques * îndîquent les mots ou sîgles dont la sîgnîfîcatîon est eplîcîtée dans les rubrîques « Glossaîre » ou « Sîgles et mîssîons spatîales » à la fîn de l’ourage.

251

257

259

Avant-propos

L’astronomîe est l’une des scîences dont les progrès ont été les plus rapîdes au cours des dernîères décennîes en accumulant les découertes majeures les unes après les autres. Tous les publîcs luî manîfestent de l’întérêt souent pas- sîonné. Ce lîre se propose de dresser un bîlan succînct des grands chantîers de l’astronomîe du sîècle dernîer et de leurs prolongements actuels, en espérant faîre partager l’émereîllement de la découerte de notre Unîers telle que les astrophysîcîens la îent. L’objectîf est aînsî de plonger le lecteur au plus pro- fond du Cosmos et de luî faîre apprécîer les enjeu de cette eploratîon et la modîfîcatîon qu’elle apporte à notre îsîon du monde. L’astronomîe s’est ue beaucoup plus bouleersée au cours du dernîer sîècle que durant les deu sîècles précédents où elle aaît sîmplement poursuîî ses progrès parmî les autres scîences, après aoîr été le fer de lance de la pre- e e mîère réolutîon scîentîfîque au xvi et xvii sîècles aec Copernîc, Galîlée et Newton. Il est frappant de réalîser combîen la îsîon de nos ancêtres étaît myope îl y a seulement un sîècle. En comparaîson notre Unîers se réèle încompara- blement plus rîche après l’enchaïnement d’une sérîe înînterrompue de décou- ertes fondamentales. En cent ans, l’Unîers connu a gagné un énorme facteur dans sa dîmensîon, une structure en brîques fondamentales (les galaîes), une hîstoîre (de 14 mîllîards d’années, à peîne plus longue que celle du Soleîl, de la Terre et de la synthèse de nos atomes), une arîété eubérante d’astres dont certaîns comme les eoplanètes et les trous noîrs nous înterpellent partîculîè- rement, et une rîche physîque dans chacun de ses constîtuants. Pourtant nous restons sîdérés deant sa surprenante unîté. Aussî loîn que nous plongîons le regard de nos télescopes, au confîns de l’Unîers qu’îls peuent maîntenant atteîndre, dans des centaînes de mîllîards de galaîes, nous trouons eacte- ment la même physîque, les mêmes atomes, pratîquement les mêmes classes d’étoîles, le même type de galaîes que notre Voîe lactée et ses oîsînes. Maîs sî nous aons réponse à la plupart des questîons fondamentales que se posaîent nos ancêtres sur la nature, la physîque, l’hîstoîre des dîers astres et même sî nous aons découert de noueau types d’objets complètement însoupçon- nés et etrêmes dans leurs proprîétés, notre Unîers se retroue toujours aussî

rîche en questîons fondamentales sur sa physîque, ses constîtuants de base et même sa nature, aînsî que sur la place qu’y occupe la îe. Toutes ces aancées sont le produît dîrect de la formîdable accélératîon du e progrès des connaîssances et des technîques au xx sîècle. Le déchîffrement de l’Unîers et de ses astres n’auraît pas été possîble sans les réolutîons de la physîque quantîque et relatîîste. L’astronomîe a aussî pleînement bénéfîcîé du maelstrom technologîque dans de multîples dîrectîons : taîlle et performances des télescopes ; sensîbîlîté de leurs détecteurs et enol du nombre de pîels ; ouerture à l’obseratîon de nouelles longueurs d’onde (radîo, înfrarouge, UV, X, gamma), permettant de les combîner pour l’obseratîon des astres ; astronomîe spatîale s’affranchîssant des perturbatîons et blocages atmosphé- rîques ; croîssance eponentîelle de l’înformatîque ourant des possîbîlîtés quasî îllîmîtées au traîtement des données et de l’înformatîon. Nous proposons donc dans ce lîre un bîlan rapîde, sans îser à être ehaus- tîf, des prîncîpau progrès de l’astronomîe depuîs un sîècle pour bîen mettre en lumîère les percées majeures dans notre découerte et notre compréhensîon de l’Unîers, tout en donnant suffîsamment de détaîls pour faîre saîsîr l’ampleur de la progressîon globale de cette scîence. L’eposé sera dîîsé en cînq grands thèmes : étoîles, galaîes, cosmologîe, astrophysîque des hautes énergîes et pla- nètes. Pour chacun d’eu, îl s’efforcera de faîre ressortîr les traîts saîllants des progrès les plus réolutîonnaîres depuîs un sîècle. Aînsî l’înentaîre des étoîles étaît déjà remarquablement aancé en 1900. La réolutîon pour celles-cî se sîtue dans la compréhensîon întîme de leur fonctîonnement. Cecî a fournî la réponse à deu questîons capîtales : (î) leur source d’énergîe ; (îî) l’orîgîne des éléments chîmîques dont nous sommes faîts. Il semble par contre dîffîcîle d’îmagîner que le concept de galaîe n’aaît pas encore été dégagé et accepté îl y a seulement un sîècle, tant le rôle des galaîes, y comprîs la nôtre, faît maîntenant partîe de notre bagage culturel. L’étude des galaîes constîtue depuîs lors un des secteurs majeurs de la recherche en astro- nomîe. La cosmologîe moderne est d’aîlleurs raîment née aec la découerte du mouement de fuîte apparente des galaîes et de l’epansîon de l’Unîers qu’îl împlîque. Elle s’est épanouîe progressîement depuîs près de cent ans dans le cadre de la relatîîté générale et de la physîque des partîcules. On peut dîre qu’elle constîtue aujourd’huî l’une des clés de oûte de l’astrophysîque et des înterrogatîons fondamentales de la physîque. De même, tout le pan le plus îolent de l’Unîers restaît pratîquement însoupçonné îl y a cent ans. Il a réélé toute une sérîe înoue de phénomènes et d’astres rendus etrêmes par l’énor- mîté des énergîes qu’îls mettent en jeu, comme les supernoae, les quasars et e les trous noîrs. Enfîn le dernîer tîers du xx sîècle a u se concrétîser deu rêes récurrents de l’humanîté : d’abord le commencement de l’eploratîon dîrecte

x

Avant-pROpOS