Mise à jour le 30 Juin 2006

 

     

CONFÉRENCE de MICHEL HULOT

De la SAF
"L'ÈRE PLASMATIQUE (ou RADIATIVE)"

Organisée par la SAF

Dans ses locaux, 3 rue Beethoven, Paris

 

Le Samedi 24 Juin 2006 à 15H00
à l'occasion de la réunion de la Commission Cosmologie.

 

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

Comme d'habitude, la présentation PPT complète est sur le site de la SAF quelques jours après.

 

Un grand merci à Claude Picard qui a revu, et corrigé ce compte rendu.

 

 

BREF COMPTE RENDU

 

 

Bravo encore à Claude Picard qui réussit à faire venir un samedi après midi ensoleillé et de coupe du monde de football un quarantaine de passionnés de cosmologie (ils ne sont pas tous sur la photo, prise une demi-heure avant le commencement).

 

 

Michel Hulot va nous parler d'une époque peu connue de la formation de l'Univers, qui se situe un peu après l'inflation et va se dérouler pendant quelques centaines de milliers d'années jusqu'à l'émergence de la première lumière: le fonds diffus cosmologique ( le CMB).

 

C'est l'ère plasmatique ou l'ère radiative entre 10-2 à 1013 secondes après le Big Bang.

 

La relation rayonnement (ou énergie) /matière a subit deux phases dans la création de l'Univers, au début l'énergie domine sur la matière, l'Univers est une soupe de particules et de rayonnements en recombinaison permanente, puis la température baissant suite à l'expansion, il y a (re)combinaison, les atomes se forment , la matière prend le dessus (heureusement pour nous sinon, je ne sais pas quelle tête nous aurions!).

 

 

 

 

 

 

 

En simplifiant à l'extrême, sur ce graphique, la partie en rose correspond à ce que l'on appelle l'ère radiative (ou ère plasmatique), elle va de quelques fractions de secondes après le BB jusqu'à ce que l'Univers devienne transparent.

 

 

 

Pendant cette période, la densité du rayonnement, (des photons), est supérieure à celle de la matière et contrôle l'évolution de l'univers.

 

L'Univers est tellement chaud qu'il est sous la forme d'un plasma.

 

 

 

Le plasma est un gaz qui a été soumis à la quantité d'énergie suffisante pour dissocier les électrons de leurs atomes (ionisation).

 

Il est neutre, il comprend des particules chargées et non chargées, on appelle taux d'ionisation la proportion de particules chargées par rapport aux particules totales.

Le plasma est aussi nommé « quatrième état de la matière »

 

 

Michel nous a préparé un diagramme représentant l'évolution densité-énergie depuis le BB jusqu'à nos jours.

 

Cette ère plasmatique est représentée sur ce diagramme par la portion de droite en trait plein en fonction du temps.

 

L'échelle verticale de gauche est graduée en densité (g/cm3) de l'Univers, l'échelle de droite est en énergie (ev).

Il y a une correspondance entre les échelles de température et les échelles d'énergie; car la température décrit l'état énergétique d'un corps; ce rapport c'est la constante de Boltzmann :

 

k = 1,38 10-23  J/K    ou k = 8,6 10-5  ev/K   ou encore : 1/k  = 1,16 104 K/ev

 

ce qui donne plus simplement :     1 kev = 11 millions de K    1 Mev = 11 milliards de K       1 Gev = 1013  K

notre température ambiante (20°C) correspond ainsi à …..26 mev (attention milli électron volts)

 

 

 

Juste avant le début de la période plasmatique, c'était la période hadronique, période de création à partir de quarks (et d'antiquarks), de baryons (3 quarks) et de mésons (2 quarks).

Les baryons vont donner les neutrons et protons et leurs anti particules.

L'Univers est composé de n, p et e et de neutrinos et de leurs antiparticules formant ainsi un plasma dont la composition va évoluer suite à des brisures de symétries qui vont apparaître avec la baisse des températures.

 

La température est encore de quelques milliards de degrés, et après les baryons, les électrons et les antiélectrons s'annihilent et l'antimatière disparaît presque complètement. Des photons énergétiques sont crées pendant ces annihilations, mais ils sont thermalisés (cela veut dire qu'ils sont mis en équilibre thermodynamique avec le reste) rapidement.

 

 

Voyons un diagramme un peu plus précis de cette époque maintenant :

 

 

 

La nucléosynthèse primordiale dont nous avons souvent parlé, survient maintenant, qui va aboutir à la création de l'Hélium.

 

Rappel : (tiré de "Et la Lumière fut, un petite histoire du BB" de votre serviteur)

 

L’espace est maintenant rempli de p, n e, neutrinos et photons; mais p et n se transforment l’un en l’autre

 

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 n à partir d’un p que le contraire

Son sort en est jeté: il sera mis en minorité dans l’Univers en formation

 

Le neutron se transforme en proton spontanément avec une durée de vie de 10 minutes approximativement     

Quand la température diminue, les n 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

Le proton qui est en surnombre maintenant peut se combiner avec un autre p 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

 

En fait il y a aussi plein de photons, 109 fois plus que de protons.

 

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 n sont utilisés dans cette production d’He et les n 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

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

 

Le bal de la création se poursuit, on procède par FUSION , mais les éléments 5 et 8 sont MAUDITS

Ils donnent des noyaux instables qui se désintègrent (trop)  rapidement

La machine à synthétiser les éléments s’arrête

 

DONC 10 À 15 MINUTES APRÈS LE BIG BANG

On a en plus de H et He (dominants) des traces de D, He3 et Li7

Mais la température baisse rendant les fusions ultérieures impossibles (1 Million °K)

LA NUCLÉOSYNTHÈSE PRIMORDIALE EST ÉTEINTE, l’Univers est complètement ionisé

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)

 

 

 

Après la nucléosynthèse primordiale qui a duré quelques minutes; les photons et les électrons qui restent entrent en interaction:

·        Soit par rayonnement de freinage (Bremsstrahlung) : rayonnement créé par la passage près d'un proton par exemple d'une particule de charge opposée (électron), un rayonnement électromagnétique (photon) est alors émis.

·        Soit par effet diffusion double Compton : lorsque des photons ont une énergie suffisamment élevée, il peut interagir avec un électron et celui ci en réaction ré-émet un (ou deux) photons d'énergie plus faible. L'efficacité de la diffusion Compton diminue avec l'augmentation de l'énergie des photons; (favorisée pour l'énergie entre 100 keV et 10 MeV).

 

 

 

La fin de l'ère radiative se produit quand la température baissant, l'énergie de la matière devient égale à l'énergie du rayonnement.

 

La (re)combinaison intervient ensuite rapidement.

 

 

On arrive à la surface de dernière diffusion, il est 400.000 ans approximativement après le Big Bang, la température est de l'ordre de 3000K, niveau suffisamment bas pour que le rayonnement se déplace sans interaction avec la matière. C'est la dernière fois que le rayonnement est entré en interaction avec la matière et pour cette raison on l'appelle surface de dernière diffusion. (surface of last scattering en anglais).

On l'appelle aussi ère du découplage (séparation) du rayonnement (decoupling en anglais) et de la matière ou recombinaison.

L'Univers devient transparent et on peut encore observer cette première lumière sous la forme du rayonnement cosmologique à 2.7 K.

 

 

 

 

Les petits écarts de température de ce rayonnement reflètent les inhomogénéités de la densité de matière. Les zones les plus denses vont davantage attirer de matière et grossir plus rapidement que les autres, jusqu'à ce que le "critère de Jeans" soit atteint.

 

C'est une formule qui donne la masse minimum nécessaire pour que la gravitation d'un corps puisse vaincre sa pression interne de rayonnement.

Il s'agit de la masse de Jeans, Mj qui est fonction de la puissance 3/2 de la pression de rayonnement.

 

À cette masse de Jeans correspond une longueur de Jeans.

 

Pour les températures mises en jeu, voici les valeurs des Mj correspondantes :

La température trec étant la température de recombinaison (vers 3000K).

 

t < trec :        MH~ t3/2                    Mj # MH » 1011Ms

t = trec :        Mj # 106 Ms  et Lj = 10 kpc                 

t > trec :        MH ~ t                   et Mj ~ t-1     Mj « MH

 

A partir de là, les nuages de matière vont s'effondrer pour former les premières étoiles et les premières structures.

Tout ceci ne fonctionne d'ailleurs pas trop mal à condition que l'on ajoute une bonne dose de matière noire, de manière à ce que les modèles prédisent une évolution compatible avec les observations disponibles de l'univers le jeune possible.

 

 

 

 

CHAMPS MAGNÉTIQUES

 

 

Les problèmes du modèle standard :

 

La théorie actuelle du BB nous explique Michel Hulot, a quelques défauts ou du moins certains aspects sont difficiles à expliquer, comme la création des premières structures.

 

 

Pour cette raison certaines théories font jouer un rôle plus important aux champs magnétiques.

 

 

 

 

Dans la période considérée, la température est telle que les atomes sont nécessairement ionisés. Il y a donc des particules de charges différentes qui naviguent dans le plasma, qui lui reste globalement neutre. Celui-ci est sans doute turbulent et les déplacements rapides des diverses charges créent des champs magnétiques.

 

La portée des champs magnétiques est caractérisée par la longueur de Debye, et pendant cette ère plasmatique elle est proportionnelle au temps.

 

Des cellules (ou vortex) se forment et plus le temps s'écoule plus ces cellules grandissent.

 

 

Les champs créés sont d'une intensité énorme : jusqu'à 1016 Gauss, pour information le champ terrestre est de 0,5G (l'unité actuelle est le Tesla; 1 T = 10.000 G)

 

 

 

Le champ gravitationnel va amplifier le champ magnétique et participe à la création de grandes structures, sans faire intervenir de la matière noire, c'est la grande caractéristique de cette théorie.

 

Ces champs pourraient accélérer la concentration de matière induite par la gravitation et faciliter ainsi largement la formation des premières structures, sans d'ailleurs avoir besoin de matière noire.

Cela ne veut pas dire que le problème de la matière noire est résolu, car beaucoup d'autres phénomènes mettent en évidence un important défaut de masse si on ne se réfère qu'à la matière ordinaire.

 

 

 

 

 

 

 

En conclusion :

 

C'est une approche nouvelle intéressante, qui gagnerait à être développée malgré sa complexité théorique, qui consiste "tout simplement" à prendre en compte les phénomènes magnétiques qui sont vraisemblablement intervenus dans l'Univers jeune.

 

Dans l’Univers le champ magnétique participe de façon majeur à :

–La formation, le renforcement ou le maintien des structures et des objets astrophysiques.

–La production de moyens efficaces pour convertir l’énergie gravitationnelle en énergie cinétique et rayonnement.

–L’évolution de l’Univers et de ses composantes.

 

 

 

 

 

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN

 

Michel Hulot nous conseille les livres suivants :

 

"Plasma Astrophysics" par Tajima et Shibata

de Perseuas Book Group (1997).

 

"Le rayonnement cosmologique" par M Lachièze-Rey

chez Dunod (1997)

 

 

« The Early Universe » de G. Börner

–Springer    (4e édition)                     2003

« An Introduction to Cosmologie » de J.V. Narlikar

–Cambridge  (3e édition)                     2002

 

« Cosmological Physics » de John A. Peacock

–Cambridge University Press              2001

»Handbook of Astrophysics » de Martin V. Zombeck

–Cambridge University Press              1990

 

 

À consulter sur Internet :

 

Le Big Bang vu par nos amis des astrofiles.

 

Cours de cosmologie de la SAF (J Fric) très complet. Format pdf.

 

Cours de cosmologie par le LAOG de Grenoble.

 

L'ère radiative par Thierry Lombry de Luxorion.

 

Le CMB et l'ère radiative par l'université de l'Oregon.

 

La thermodynamique du Big Bang par la grand spécialiste d'IN2P3, Alain Bouquet. Prése,ntation PPT de 4,6MB.

 

Sur le Bruit de fond CMB toujours par Alain Bouquet, présentation PPT de 9MB.

 

L'évolution de l'Univers par l'Université du New Jersey (anglais).

 

La physique des plasmas vue par Wikipedia.

 

Cosmology, the early universe, sur les différentes époques par l'Université Cornell. (anglais)

 

Aussi très détaillé sur les différentes époques du BB par l'Université de l'Utah.

 

La chronologie (timeline en anglais) du Big Bang par le Fermilab, avec un superbe poster.

 

Sur la masse de Jeans. document pdf en anglais.

 

La masse de Jeans et la gravité, critères (anglais).

 

 

 

 

Bon ciel à tous

 

 

Jean Pierre Martin  SAF Commission de Cosmologie

www.planetastronomy.com