Mise à jour le 18 Mars 2012
 
 
CONFÉRENCE MENSUELLE DE LA SAF
"LA NUIT N'EST PAS NOIRE!
RÉFLEXIONS SUR LES FONDS COSMIQUES"
Par le Dr Hervé DOLE
Astrophysicien à l’IAS (Institut d’Astrophysique Spatiale)
Maître de conférence   Orsay,
 Au FIAP, 30 rue Cabanis, 75014 Paris (métro Glacière).
Le Mercredi 14 Mars 2012 à 20H30
 
Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos et des animations.
Le conférencier a eu la gentillesse de nous donner sa présentation complète, elle est disponible sur ma liaison ftp et s'appelle
planck-dole.pdf , elle est dans le dossier CONF-MENSUELLES-SAF/ saison 2011/2012)
Ceux qui n'ont pas les mots de passe doivent me contacter avant.
 
Cette conférence a été filmée en vidéo (grâce à UNICNAM et IDF TV) et est accessible sur Internet
 
Le compte rendu sera succinct étant donné que la présentation est disponible au téléchargement.
 
 
Encore une salle bien pleine, merci de votre assiduité !
 
 
 
 
Le conférencier nous propose ce soir de parler des points suivants :
 
·        Comprendre pourquoi la nuit est noire......
 
·        Mais pas si noire que ça en fait
·
·        Comprendre pourquoi étudier les rayonnements dans l’Univers nous renseigne sur son histoire
·
·        Parler du satellite Planck
·
 
 
 
 
 
 
POURQUOI LA NUIT SEMBLE NOIRE.
 
C’est le fameux paradoxe d’Olbers (connu aussi sous le nom de paradoxe de Chéseaux-Olbers).
 
Vu le nombre d’étoiles du ciel (si on suppose qu’elles sont en nombre infini), la nuit devrait briller comme en plein jour
En effet, si, quelle que soit la direction dans laquelle on porte son regard, nous trouvons une étoile, pourquoi le ciel nocturne n'est-il pas uniformément brillant ? Et pourtant la nuit est noire. Alors pourquoi???
 
Et bien c’est qu’en fait il y a ces trois faits qui jouent sur ce paradoxe :
·        La vitesse de la lumière est finie, certaines lumière d’étoiles ne nous ont pas encore atteint.
·        Les étoiles ne brillent pas éternellement, elles ont eu un début et elles ont une fin, d’autre part il n’y a pas un nombre infini d’étoiles, même si ce nombre est très grand.
·        L’univers est en expansion, ce qui dilue le rayonnement dans un volume de plus en plus grand, et fait décaler les longueurs d’onde lumineuses vers les grandes longueurs d’onde, vers le rouge (redshift).
 
 
On en déduit aussi qu’il existe un horizon cosmologique, au delà duquel on ne peut rien voir.
 
Mais il existe aussi des émissions lumineuses reliques correspondant par exemple au fond cosmologique ou au fond extragalactique provenant de toutes les galaxies.
 
 
LA GALAXIE SOUS DIFFÉRENTES LONGUEURS D’ONDE.
 
 
 
Sur ce poster de la NASA, on voit notre Galaxie sous différentes longueurs d’onde, en partant en haut de la plus longue (ondes radio) en passant par le visible (optical en anglais) et en allant jusqu’aux rayonnements les plus énergétiques (très courtes longueurs d’onde) en gamma.
 
Seulement dans le « visible » notre Galaxie semble sombre, cachée par d’importants nuages de matière.
 
 
LE RAYONNEMENT COSMOLOGIQUE.
 
 
Mais qu’est-ce donc ce fond cosmologique?
C’est une radiation originelle des premiers temps de l’Univers où celui-ci était dense et chaud.
Elle avait été prédite par George Gamov, un savant un peu facétieux qui ne fut pas pris au sérieux à son époque.
C’est comme un bruit de fond qui occupe tout l’espace, on le remarque lorsque votre Téléviseur est réglé entre deux chaînes; la neige provient en partie du CMB
Ce sont les restes du feu originel, les cendres de ce foyer brûlant. Ils ont été émis il y a 380.000 ans quand la température chuta à approximativement 3000K. les photons ne pouvaient plus se combiner avec d’autres particules, ils étaient libres de se propager enfin dans l’espace. C’est ce que l’on appelle la recombinaison.
Ces radiations ont perdu de leur puissance (redshift) et se trouvent maintenant dans le domaine des……micro-ondes.
 
Et on a un problème avec ce rayonnement que l’on a pu observé :
 
Tous les points du ciel (bleus et rouges) ont la même température (2,725K) à 100 µK près!!!
 
Ce bruit de fond s’appelle aussi surface de dernière diffusion.
Pourquoi ce nom ? L’Univers primordial est opaque, c’est une soupe de particules qui s’agitent se combinent et se recombinent en fonction de la température. Les photons n’ont pas la possibilité de s’échapper, ils sont immédiatement combinés à d’autres particules (les électrons), combinaison qui se fait principalement par diffusion Thomson  (qui est un cas particulier de la diffusion Compton).
La température baissant avec le temps qui passe, l’Univers devient moins dense, les électrons peuvent enfin se combiner avec des noyaux de H ou He pour former des atomes. Les photons sont libres de se propager, l’Univers devient transparent ; c’est l’image de cette première propagation que l’on voit dans le CMB.
La diffusion Thomson ne se produisant plus, le nom de surface de dernière diffusion a été donné à cette époque.
 
 
Une analogie avec la surface du Soleil.
 
C’est la même physique qui régit les deux phénomènes.
À gauche la surface du Soleil, à droite l’image du CMB.
 
Le Soleil est un plasma où les photons internes mettent plus de 1 million d’années à sortir (à cause de l’énorme densité de matière, comme pour le CMB où ils ne peuvent pas sortir avant 380.000ans).
 
Les courbes situées en dessous représentent comment l’énergie se réparti en fonction de la taille angulaire.
 
C’est aussi la taille des vibrations de l’Univers primordial.
 
 
 
 
 
 
 
L’analyse de ce bruit de fond cosmologique donne aussi une indication de la composition de l’Univers, car ces vibrations dépendent de la masse et la composition.
On en déduit l’Univers en chiffres très précisément à quelques % près.
 
Mais tout n’est pas résolu :
·        On ne sait pas ce qu’est la matière noire
·        On ne sait pas ce qu’est l’énergie noire.
 
 
 
On compte beaucoup sur les données du satellite Planck pour améliorer nos connaissances en ce domaine, il devrait être plus de 50 fois plus précis que WMAP et 1000 fois plus précis que COBE.
 
 
 
LE RAYONNEMENT EXTRAGALACTIQUE.
 
L’Univers est rempli de galaxies qui nous envoient leurs différents rayonnements dans différentes longueurs d’onde représentées sur le graphique ci-dessous.
 
 
 
Le fond extragalactique (EBL) caractérisé par :
·        Rayonnement 50 fois moins intense que le CMB
·        Son maximum est dans l’Infra Rouge lointain
·        C’est l’histoire des galaxies.
 
 
Le plus intense (après le CMB) est le fond Infra Rouge (CIB : cosmic Infrared Background) puis le fond optique.
 
À l’échelle de l’Univers ce ne sont pas la lumière visible des étoiles qui dominent au point de vue rayonnement.
 
 
 
 
 
 
 
 
L’OBSERVATOIRE SPATIAL PLANCK.
 
L’histoire de Planck et ses dernières infos vous sont révélées sur ce site périodiquement.
 
Les premiers dessins concernant Planck datent de …1993, et il fut effectivement lancé en Mai 2009 !
 
Le satellite PLANCK d'une hauteur de 4,2 mètres et d'un diamètre maximum de 4,2 mètres, a une masse au lancement d'environ 2 tonnes. Le satellite comprend un module charge utile et un module de service.
 
La charge utile PLANCK comprend :
·        un télescope grégorien de 1,75 x 1,5 m, équipé d'un miroir primaire et d'un miroir secondaire qui collectent les radiations micro-onde et les dirigent sur le plan focal des instruments, et d'un baffle de protection.
·        les plans focaux cryogéniques des deux instruments HFI et LFI,
·        les systèmes de refroidissement : 36.000 litres de He4 et 12.000 litres de He3, aboutissant à un refroidissement de 0,1K, c’est le point le plus froid de l’Univers !
·        Le module de service héberge :
·        les systèmes pour la génération et le conditionnement de l'énergie,
le contrôle d'attitude,
la gestion des données et les communications,
les parties chaudes des instruments scientifiques (HFI et LFI).
 
 
Le refroidissement , une prouesse technologique française, se produit en plusieurs étapes :
·        Un refroidissement passif d'abord pour amener à 50K
·        Un refroidissement par adsorption qui amène à 18K
·        Un étage de compresseurs : 4K
·        Et finalement le réfrigérateur à dilution He3/He4 qui amène au 0,1K recherché.
 
 
 
 
Et comme le dit H Dole : Planck is very cool !!!
 
Il doit effectuer un relevé du ciel en 5 à 6 mois, on espère pouvoir cumuler 4 ou 5 relevés dans sa durée de vie.
 
Les détecteurs sont des bolomètres analogues à des capteurs de température, ce sont eux qui nécessitent un tel refroidissement, car c’est aux alentours de 0,1K qu’ils sont le plus sensibles.
Ils sont fabriqués sous la responsabilité de l’IAS à Orsay.
 
Certaines images du ciel commencent à sortir pour le public, mais les premiers résultats cosmologiques devraient sortir en 2013.
 
 
 
Le problème de Planck, c’est en fait le grand nombre de données qu’il faut recueillir et traiter.
Elles sont reçues à l’IAS et traitées à l’IAP Data Processing Center.
 
Salle de réception des données à l’IAS (photo © Hervé Dole).
 
 
Les dernières découvertes de Planck.
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN.
 
Robert Wilson : Sur la découverte du CMB 15 Jan 2009 UNESCO. (30/01/2009)
 
Les anisotropies du CMB : CR de la conférence de R Durrer à l'IAP du 11 Juillet 2006
 
L’Univers en accélération : CR de la conférence du Prix Nobel S. Perlmutter du 17 dec 2011 (29/12/2011)
 
Le Big Bang pour les nuls : CR de la conf. de JP Martin aux RCE 2010 le 13 nov 2010. (03/12/2010)
 
The multiwavelength milky way.
 
L'évolution des galaxies révélée par Spitzer : CR de la conf. de H Dole à la SAF du 17 Mai 2006.
 
La nuit n’est pas noire : CR d’une conférence version précédente de H. Dole aux RCE 2010 le 14 Nov 2010. (25/12/2010)
 
Les anisotropies du CMB : CR de la conférence de R Durrer à l'IAP du 11 Juillet 2006
 
Développement de la réfrigération à dilution 3He-4He en cycle fermé pour les futures missions scientifiques en satellite
 
L'histoire de l'Univers, graphique NASA.
 
Le site français de Planck HFI.
 
 
 
 
 
 
Bon ciel à tous
 
 
Jean Pierre Martin   Président de la commission de cosmologie de la SAF
www.planetastronomy.com
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