Big Bang - Les mystères de la Matière

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Big Bang - Les mystères de la Matière

Messagepar yabaar » Samedi 11 Février 2006, 17h48

Depuis quelques années, les cosmologistes nous expliquent que l’Univers est composé de 5 pour cent de matière comme celle de nos cellules organiques ainsi que notre Terre, le Soleil et toutes les étoiles, de 25 pour cent d’un autre type, inconnu à ce jour, formant une "matière sombre" invisible, et de 70 pour cent d’un type encore plus mystérieux, communément appelé "énergie sombre" ou "énergie du vide"; je reviendrai un peu plus loin sur ce dernier élément.

La description de ces 95 pour cent de matière/énergie non identifiée peut sembler succincte de la part de scientifiques, mais c’est pour l’instant la seule façon qu’ils aient trouvée pour exprimer leur pensée et affirmer son existence.

Au sujet de la "matière sombre" :

Une équipe de l’Institut Astronomique de Cambridge, Angleterre, a finalement pu décrire plus précisément cette substance qui compose le cosmos. En utilisant le VLTA (Very Large Telescope Array) au Chili, l’équipe a cartographié minutieusement un grand nombre de galaxies, et a ensuite utilisé le mouvement des étoiles composant ces galaxies afin de mesurer la "trace" qu’elles laissent derrière elles dans la "matière sombre".

Ils ont ainsi déterminé que l’espace galactique contient environ 400 fois plus de "matière sombre" – soit 30 millions de fois la masse du Soleil - que de matière normale. Les "particules" de "matière sombre" semblant se déplacer à près de neuf kilomètres par seconde, chacune de ces "particules" ne peut être plus petite qu’un "cube" atomique faisant 1000 années lumière de coté, tout de même.

Aussi énigmatique que ce soit, la "matière sombre" est la clef de l’avenir de l’Univers. Sans son influence gravitationnelle, toutes les étoiles dans toutes les galaxies se seraient échappées vers le "bord" de l’Univers depuis longtemps. Or comme le précise l’un chef de l’équipe de Cambridge, notre Soleil se déplace si vite que, sans cette "matière sombre", il ne ferait déjà plus partie de la Voie Lactée, notre galaxie. Si nous sommes toujours là, sur Terre, c’est grâce à la "matière sombre". Mais le problème auquel doivent faire face les scientifiques est que lors des mesures indirectes effectuées, ils ont estimé que cette matière, par sa vitesse de déplacement, devrait atteindre une température de 10000 degrés Celsius; mais les "particules" n’émettent aucunes radiations ni lumière et restent donc indétectables aux radio-téléscopes.

Les chercheurs espèrent que des expériences futures avec les accélérateurs de particules pourront leur donner une idée plus précise de la physique de la "matière sombre".

Au sujet de l’ "énergie sombre" :

Les théories astrophysiques les plus récentes indiquent que l'Univers est en expansion accélérée. Cette accélération serait due à l'"énergie sombre", appelée aussi "énergie du vide", celle-ci compensant, et dépassant même, l'énergie initiale du Big-Bang. Et cette énergie est présente partout, au coeur même de la matière normale qui, à son niveau subatomique, n'est plus qu'une énergie elle aussi. D'où vient-elle ? Mystère...

Pour illustrer ce que peut être cette énergie, faisons appel à un Chevalier Jedi. Imaginons que ce qu'il appelle la Force soit cette "énergie sombre". Afin que notre Jedi puisse se soulever lui-même d'un mètre au dessus du sol, on estime qu'il lui faudrait prélever l'"énergie sombre" contenue dans un cube de 9 kilomètres de coté.
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Messagepar neocobalt » Dimanche 06 Août 2006, 23h03

La matière.
Une notion matérialiste des constituants de notre monde et de nous-mêmes, par la force des choses. Et au niveau subatomique, elle ne serait plus que de l'énergie. "E = MC2" n'est pas loin.

Est-il possible de concilier tous ces paradoxes développés dans le message précédent, et dans quelle mesure, avec une approche comme celle de Berkeley visant à prouver que la réalité matérielle ne peut être objectivement établie ?
Tout ce que nous avons, ce sont des perceptions sensorielles qui paraissent réelles, à la lecture du présent message comme à l'observation des lointaines galaxies.

La matière classique, la sombre, et l'énergie du vide sont jaugées, soupesées à la louche, mais n'oublions pas : "la cuillère n'existe pas". :wink:

Très bon sujet en tous cas et qui donne matière à réflexion.
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Big Bang - Prix Nobel de Physique 2006

Messagepar yabaar » Mercredi 04 Octobre 2006, 10h20

Prix Nobel de Physique 2006 pour les artisans de l'après-Big Bang.

John Mather, 60 ans, travaille au centre spatial Goddard de la NASA. Il obtient un doctorat de physique de l'Université de Berkeley en 1974, avant d'être engagé par le centre spatial Goddard de la NASA.

George Smoot, 61 ans, travaille à l'Université Berkeley avec le lauréat du Nobel de physique 1968, Luis W. Alvarez. Il est fasciné par les étoiles et les galaxies lointaines depuis son enfance où il lisait des romans de science-fiction. Il a étudié les mathématiques et la physique à l'Institut Technologique du Massachusetts (MIT) d'où il a été diplômé en 1970.

Les 2 américains se voient attribuer le prix Nobel de physique 2006 pour leurs travaux réalisés avec le satellite COBE de la NASA (COsmic Background Explorer). Le satellite fut lancé en 1989 pour procéder à l'étude du rayonnement électromagnétique diffus cosmologique afin d'approfondir la théorie du Big Bang et de tenter expliquer l'origine de l'Univers. Les deux physiciens ont, non seulement, confirmé la solidité de la théorie du Big Bang, mais aussi propulsé la cosmologie (ou astrophysique) sur une ère nouvelle et plus complexe avec leur découverte de la plus ancienne carte de l'univers. Une carte qui n'est pas parfaitement uniforme, mais qui comporte de minuscules variations de température. Bien que très délicates à observer, ces fluctuations permettent aux cosmologistes de choisir entre les différents modèles de big-bang, d'étudier le processus de formation des îlots de matière, les galaxies, et de travailler sur la période qui précède l'émission initiale du rayonnement. Ainsi la cosmologie est devenue une science capable de faire des prédictions, vérifiables ensuite par l'observation, imposant un modèle de Big Bang qui nécessite une physique très exotique, avec matière noire et énergie noire (ou sombre), bien loin de ce que l'on peut observer en laboratoire.

Pour résumer, grâce à COBE, Mather et Smoot ont réalisé la première observation précise du fond diffus cosmologique, un rayonnement laissé par les premières ondes lumineuses apparues juste après le début de l'univers tel qu'il se présente à nos instruments de mesure modernes.

Prévues par les premiers théoriciens qui se sont penchés sur l'histoire de l'Univers telle que la théorie de la relativité générale d'Einstein permettait de la penser, ces ondes radios qui baignent l'ensemble de l'univers ont été découvertes, par hasard en 1964, par deux Américains des laboratoires Bell dans le New Jersey. Ainsi, en testant une toute nouvelle antenne radio de télécommunication, Arno Penzias et Robert Wilson (prix Nobel 1978) enregistrèrent un bruit parasite étrange, un signal radio en micro-ondes, qui ne semblait provenir d'aucune source humaine ni d'aucun corps astronomique connu, mais étant uniforme quelle que soit la zone du ciel vers laquelle était pointée l'antenne. En faisant le lien avec des travaux théoriques contemporains prédisant l'existence d'un rayonnement laissé par les restes de l'expansion rapide de l'univers après le moment initial, soit le Big Bang, Penzias et Wilson conclurent qu'il s'agissait d'un rayonnement fossile. Les deux physiciens déterminèrent que la température du corps qui émet ce rayonnement a une température d'environ 3 Kelvin, soit 270 degrés Celsius en dessous de zéro (remarque : 0 Kelvin = -273 degrés Celsius).

Le rayonnement cosmologique ­ ou "fossile" ­ constitue l'un des piliers de la théorie du Big Bang, survenu il y a plus de 13 milliards d'années. Il s'agit en fait des premiers rayons lumineux qui ont existé, apparus environ 380000 ans après le Big Bang, dans tout l'Univers, au moment où ce dernier était encore extrêmement chaud et dense mais était passé sous la température moyenne de 3000 degrés Kelvin (2747 °C). Les électrons ont alors cessé de s'agiter dans tous les sens. Ils formaient une soupe opaque interdisant à la lumière de se propager librement. En se mettant sagement en orbite autour des noyaux d'atomes d'hydrogène et d'hélium, ils ont subitement rendu l'Univers transparent, permettant à la lumière de se faufiler. Ce qui s'est traduit par une émission ubiquiste dont les photons, depuis, se sont refroidis avec l'expansion de l'Univers. Après 13,7 milliards d'années, l'univers s'est incroyablement agrandi, et refroidi, au point de baigner dans une température proche du zéro absolu, à 2,7 Kelvin précisément. Autour de la Terre, ces photons sont aujourd'hui des micro-ondes.

Suite aux observations de Penzias et Wilson, les astronomes se heurtèrent à une difficulté qui leur compliquait le travail : l'atmosphère terrestre est presque totalement opaque aux micro-ondes. De la même manière qu'un four à micro-ondes excite les molécules d'eau dans les aliments pour les réchauffer, les ondes du rayonnement fossile perdent énormément de leur énergie en agitant l'eau présente dans l'atmosphère. Pour se libérer de ce bouclier naturel, une seule solution : mettre un télescope hors de l'atmosphère, sur un satellite en orbite. Ce fut le projet que mena John Mather, responsable de l'ensemble du programme COBE au centre spatial Goddard de la NASA dans le Maryland. George Smoot, aujourd'hui à l'Université de Berkeley en Californie, était responsable de l'un des instruments scientifiques du satellite.

Après quelques minutes d'observation avec le satellite, les astronomes de l'équipe obtinrent un premier résultat fondamental : le rayonnement fossile avait bien la signature spectrale d'un corps noir. Cette courbe de lumière, à la forme très caractéristique, impliquait que la lumière avait été émise dans un équilibre thermodynamique parfait, ou état KMS, que seul le Big Bang est susceptible de produire. COBE confirmait ainsi la validité du modèle du Big Bang, celui d'un univers en expansion continue à partir d'une singularité initiale.

En revanche, la deuxième découverte fondamentale, due aux travaux de George Smoot, fut plus longue à obtenir. Au terme de deux années d'analyse sur les données enregistrées par le satellite sur l'ensemble du fond du ciel, Smoot et son équipe publièrent une carte du ciel marquée de taches roses et bleues. Ces couleurs correspondent à d'infimes variations de température, de l'ordre d'un cent millième de degré, du fond diffus cosmologique. Ces variations de température, que les astronomes appellent "anisotropies", correspondent à d'infimes variations de densité de la matière, au moment où le rayonnement fossile fut émis. Elles étaient attendues avec impatience par les astrophysiciens, car elles seules permettent d'expliquer pourquoi l'univers n'est aujourd'hui pas homogène, mais au contraire composé d'îlots de matière (galaxies et amas de galaxies) perdus au milieu d'immenses espaces vides (espaces pas si vide que ça... car remplis d'une certaine énergie - voir 1er message ci-dessus).

En 2003, le satellite WMAP de la NASA confirma les observations de COBE en précisant la forme des fluctuations.

La prochaine étape aura lieu fin 2007 avec Planck, un satellite de l'ESA (Agence Spatiale Européenne) qui scrutera, à nouveau, le fond diffus du cosmos avec une précision accrue, en mesurant la polarisation du rayonnement et ses fluctuations aux petites échelles. De quoi étudier les mouvements de matière et traquer d'éventuelles ondes gravitationnelles qui parcouraient un bébé Univers dont les mystères se dévoilent petit à petit.
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Big Bang - Mission Planck

Messagepar yabaar » Mercredi 04 Octobre 2006, 10h58

Au sujet de la mission Planck mentionnée précédemment, une phase prototype fut réalisée par une équipe scientifique internationale grâce au projet Archeops qui mesura le rayonnement fossile émis par l'Univers peu de temps après le Big Bang, et en particulier sa géométrie qui tend à confirmer que l'Univers est "spatialement plat".
La majorité des mesures furent prises lors du vol d'une vingtaine d'heures, le 7 février 2002, d'un ballon stratosphérique du CNES (Centre National d'Etudes Spatiales), depuis Kiruna, en Suède. Les mesures apportèrent également des précisions sur le contenu de l'Univers en matière ordinaire, en accord avec la théorie du Big Bang. La mesure du rayonnement fossile, trace du Big Bang, est essentielle pour comprendre l'évolution de l'Univers : densité, taux d'expansion, âge... Les données ont été recueillies par un télescope doté de détecteurs très sensibles permettant des mesures à des températures proches du zéro absolu (0,1 Kelvin). Ce télescope était suspendu sous une nacelle permettant de s'affranchir en grande partie du rayonnement parasite de l'atmosphère.
Le projet Archeops a été conçu comme un prototype de l'instrument à haute fréquence qui équipera le satellite Planck de l'ESA.

L'expression "Univers plat" est souvent utilisée comme synonyme de "Univers marginalement ouvert".
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Re: Big Bang - Mission Planck

Messagepar neocobalt » Mercredi 04 Octobre 2006, 19h57

yabaar a écrit:[...] L'expression "Univers plat" est souvent utilisée comme synonyme de "Univers marginalement ouvert" [...]

Les astrophysiciens sont tout de même de grands poètes sur les bords : "Univers marginalement ouvert". Mon "Petit Larousse" définit l'adverbe "marginalement" comme signifiant "de façon marginale, annexe ; accessoirement." Les physiciens vont faire une sacrée réputation à notre Univers : accessoirement, il serait ouvert, sans que cette ouverture soit essentielle ? Voilà qui tombe à plat, s'il on veut bien en croire et retenir que l'Univers est la star et que son Big-Bang aurait marqué le début du commencement. :wink:
Plus sérieusement, j'ai gardé un souvenir prégnant de cette toute première "photographie" prise du Big-Bang, affichée sur la couverture d'une revue scientifique ( Science-et-Vie ? ) il y a quelques années. Cela m'avait tout à la fois fasciné et laissé sceptique.
Merci, cher Yabaar, pour ces informations passionnantes et la petite histoire de la Nobelisation 2006. :)
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