29.E : Le Big Bang (exercices)

Des articles

Kruesi, L. « Cosmologie : 5 choses que vous devez savoir. » Astronomie (mai 2007) : 28. Cinq questions que les étudiants se posent souvent et comment les cosmologistes modernes y répondent.

Kruesi, L. « Comment Planck a redéfini l'univers. » Astronomie (octobre 2013) : 28. Bon aperçu de ce que cette mission spatiale nous a appris sur le CMB et l'univers.

Lineweaver, C. et Davis, T. « Idées fausses sur le Big Bang ». Scientific American (mars 2005) : 36. Quelques idées de base sur la cosmologie moderne ont été clarifiées, en utilisant la relativité générale.

Nadis, S. « Mesurer l'inflation ». Sky & Telescope (novembre 2005) : 32. Belle revue de l'origine et des variantes modernes de l'idée inflationniste.

Nadis, S. « Comment pouvons-nous voir un autre univers. » Astronomie (juin 2009) : 24. Sur les idées modernes sur les multivers et sur la façon dont de telles bulles d'espace-temps peuvent entrer en collision.

Nadis, S. « Le nouveau visage de l'énergie noire : comment les étoiles qui explosent changent notre point de vue ». Astronomie (juillet 2012) : 45. À propos de notre meilleure compréhension de la complexité des supernovae de type Ia.

Naze, Y. « Le prêtre, l'univers et le Big Bang ». Astronomie (novembre 2007) : 40. Sur la vie et l'œuvre de Georges Lemaître.

Panek, R. « Passons au côté obscur ». Sky & Telescope (février 2009) : 22. Un historique des observations et des théories sur l'énergie noire.

Pendrick, D. « Le Big Bang est-il en difficulté ? » Astronomie (avril 2009) : 48. Cet article au titre sensationnel est plutôt un bref aperçu de la façon dont les idées et les observations modernes étoffent l'hypothèse du Big Bang (et soulèvent des questions).

Reddy, F. « Comment finira l'univers ». Astronomie (septembre 2014) : 38. Brève discussion des scénarios futurs locaux et généraux.

Riess, A. et Turner, M. « L'univers en expansion : du ralentissement à l'accélération ». Scientific American (septembre 2008) : 62.

Turner, M. « L'origine de l'univers ». Scientific American (septembre 2009) : 36. Une introduction à la cosmologie moderne.

Sites Web

Guide de cosmologie : https://preposterousuniverse.com/cosmologyprimer/. Sean Carroll, astrophysicien de Caltech, propose un site non technique avec de brefs aperçus de nombreux sujets clés de la cosmologie moderne.

Cosmologie quotidienne : cosmology.carnegiescience.edu/. Un site Web éducatif des observatoires Carnegie avec une chronologie des découvertes cosmologiques, des documents de base et des activités.

Quelle est la taille de l'univers ? : www.pbs.org/wgbh/nova/space/h... -universe.html. Un essai clair du célèbre astronome Brent Tully résume certaines idées clés de la cosmologie et introduit la notion d'accélération de l'univers.

Univers 101 : Présentation de l'univers à la mission WMAP : http://map.gsfc.nasa.gov/universe/. Guide concis de la NASA sur les idées cosmologiques de l'équipe de mission WMAP.

Projet Cosmic Times : http://cosmictimes.gsfc.nasa.gov/. James Lochner et Barbara Mattson ont compilé une riche ressource sur l'histoire de la cosmologie du XXe siècle sous la forme de reportages sur des événements clés, provenant du Goddard Space Flight Center de la NASA.

Vidéos

Le jour où nous avons découvert l'univers : www.cfa.harvard.edu/events/mo... archive09.html. L'éminente écrivaine scientifique Marcia Bartusiak parle des travaux de Hubble et de la découverte de l'expansion du cosmos, dans le cadre de l'une des conférences de l'Observatory Night au Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics (53:46).

Images de l'univers infantile : https://www.youtube.com/watch?v=x0AqCwElyUk. Conférence publique de Lloyd Knox sur les dernières découvertes concernant le CMB et leur signification pour la cosmologie (1:16:00).

Univers Runaway : https://www.youtube.com/watch?v=kNYVFrnmcOU. Conférence publique de Roger Blandford (Stanford Linear Accelerator Center) sur la découverte et la signification de l'accélération cosmique et de l'énergie noire (1:08:08).

Du Big Bang au prix Nobel, en passant par le télescope spatial James Webb et la découverte de la vie extraterrestre : svs.gsfc.nasa.gov/vis/a010000... 370/index.html. John Mather, Goddard de la NASA (1:01:02). Son discours sur le prix Nobel du 8 décembre 2006 peut être consulté à l'adresse www.nobelprize.org/mediaplaye... p ? id=74&vue=1.

L'énergie noire et le destin de l'univers : https://webcast.stsci.edu/webcast/de...=1961&parent=1. Adam Reiss (StSci), au Space Telescope Science Institute (1:00:00).

Activités de groupe collaboratives

1. Ce chapitre traite de questions et d'idées assez importantes. Certains systèmes de croyance nous enseignent qu'il existe des questions auxquelles « nous n'étions pas censés connaître » les réponses. D'autres pensent que si notre esprit et nos instruments sont capables d'explorer une question, celle-ci fait partie de notre droit d'aînesse en tant qu'êtres humains pensants. Demandez à votre groupe de discuter de vos réactions personnelles face à des questions telles que le début du temps et de l'espace et le destin ultime de l'univers. Est-ce que cela vous rend nerveux d'entendre des scientifiques discuter de ces questions ? Ou est-ce passionnant de savoir que nous pouvons désormais recueillir des preuves scientifiques sur l'origine et le destin du cosmos ? (En discutant de cette question, vous constaterez peut-être que les membres de votre groupe sont tout à fait en désaccord ; essayez de respecter le point de vue des autres.)
2. Un modèle populaire de l'univers dans les années 1950 et 1960 était la cosmologie dite de l'état d'équilibre. Dans ce modèle, l'univers était non seulement le même partout et dans toutes les directions (homogène et isotrope), mais aussi le même à tout moment. Nous savons que l'univers est en expansion et que les galaxies s'amincissent. Ce modèle a donc émis l'hypothèse que de nouvelles matières apparaissaient continuellement pour remplir l'espace entre les galaxies au fur et à mesure qu'elles s'éloignaient. Si tel est le cas, l'univers infini n'aurait pas à avoir un début soudain, mais pourrait simplement exister pour toujours dans un état stable. Demandez à votre groupe de discuter de votre réaction à ce modèle. Le trouvez-vous plus attrayant du point de vue philosophique que le modèle Big Bang ? Pouvez-vous citer des preuves qui indiquent que l'univers n'était pas le même il y a des milliards d'années qu'aujourd'hui, qu'il n'est pas dans un état stable ?
3. L'un des accidents heureux qui caractérise notre univers est le fait que l'échelle de temps pour le développement d'une vie intelligente sur Terre et la durée de vie du Soleil sont comparables. Demandez à votre groupe de discuter de ce qui se passerait si les deux échelles de temps étaient très différentes. Supposons, par exemple, que le temps nécessaire à la vie intelligente pour évoluer soit 10 fois plus long que la durée de vie de la séquence principale du Soleil. Notre civilisation se serait-elle développée ? Supposons maintenant que le temps d'évolution de la vie intelligente soit dix fois plus court que la durée de vie de la séquence principale du Soleil. Serions-nous dans les parages ? (Cette dernière discussion nécessite une réflexion approfondie, y compris des idées telles que les premiers stades de la vie du Soleil et la mesure dans laquelle la Terre primitive a été bombardée par des astéroïdes et des comètes.)
4. Les grandes idées abordées dans ce chapitre ont un effet puissant sur l'imagination humaine, non seulement pour les scientifiques, mais aussi pour les artistes, les compositeurs, les dramaturges et les écrivains. Nous listons ici quelques-unes de ces réponses à la cosmologie. Chaque membre de votre groupe peut sélectionner l'un d'entre eux, en apprendre davantage à ce sujet, puis faire rapport, soit au groupe, soit à l'ensemble de la classe.
   • Le poète californien Robinson Jeffers était le frère d'un astronome qui a travaillé à l'observatoire Lick. Son poème « Margrave » est une méditation sur la cosmologie et sur l'enlèvement et le meurtre d'un enfant : www.poemhunter.com/best-poems... fers/margrave/.
   • Dans l'histoire de science-fiction « The Gravity Mine » de Stephen Baxter, l'énergie de l'évaporation de trous noirs supermassifs est le dernier espoir des êtres vivants dans un avenir lointain dans un univers en constante expansion. L'histoire contient une description poétique du destin ultime de la matière et de la vie et est disponible en ligne à l'adresse : http://www.infinityplus.co.uk/stories/gravitymine.htm.
   • La pièce musicale YLEM de Karlheinz Stockhausen tire son titre de l'ancien terme grec désignant du matériel primitif relancé par George Gamow. Il tente de dépeindre l'univers oscillant en termes musicaux. En fait, les joueurs s'étendent dans la salle de concert, comme le fait l'univers, puis reviennent et s'étendent à nouveau. Voir : http://www.karlheinzstockhausen.org/ylem_english.htm.
   • La pièce musicale Supernova Sonata http://www.astro.uvic.ca/~alexhp/new...va_sonata.html d'Alex Parker et Melissa Graham est basée sur les caractéristiques de 241 explosions de supernova de type Ia, celles qui ont aidé les astronomes à découvrir l'accélération de l'univers en expansion.
   • La nouvelle de Gregory Benford, « The Final Now », évoque la fin d'un univers ouvert qui s'accélère et mêle imagerie religieuse et scientifique de manière très poétique. Disponible gratuitement en ligne à l'adresse : http://www.tor.com/stories/2010/03/the-final-now.
5. Quand Einstein a découvert les travaux de Hubble montrant que l'univers des galaxies est en expansion, il a qualifié son introduction de la constante cosmologique dans sa théorie générale de la relativité de « plus grande erreur ». Votre groupe peut-il penser à d'autres « grosses erreurs » de l'histoire de l'astronomie, où la pensée des astronomes était trop conservatrice et où l'univers s'est avéré plus complexe ou a nécessité une réflexion plus « originale » ?

Questions de révision

1. Quelles sont les observations de base sur l'univers que toute théorie de la cosmologie doit expliquer ?
2. Décrivez certains futurs possibles pour l'univers imaginés par les scientifiques. Quelle propriété de l'univers détermine laquelle de ces possibilités est la bonne ?
3. Que signifie le terme temps de Hubble en cosmologie et quel est le meilleur calcul actuel pour le temps de Hubble ?
4. Lequel s'est formé en premier : des noyaux ou des atomes d'hydrogène ? Expliquez la séquence des événements qui ont mené à chacune d'elles.
5. Décrivez au moins deux caractéristiques de l'univers qui sont expliquées par le modèle standard du Big Bang.
6. Décrivez deux propriétés de l'univers qui ne sont pas expliquées par le modèle standard du Big Bang (sans inflation). Comment l'inflation explique-t-elle ces deux propriétés ?
7. Pourquoi les astronomes pensent-ils qu'il doit y avoir de la matière noire qui ne se présente pas sous forme d'atomes contenant des protons et des neutrons ?
8. Qu'est-ce que l'énergie noire et quelles sont les preuves dont disposent les astronomes selon lesquelles elle constitue une composante importante de l'univers ?
9. En repensant aux idées de l'espace et du temps qui sous-tendent la théorie générale de la relativité d'Einstein, comment expliquer le fait que toutes les galaxies situées en dehors de notre groupe local présentent un décalage vers le rouge ?
10. Les astronomes ont découvert qu'il y a plus d'hélium dans l'univers que ce que les étoiles auraient pu produire au cours des 13,8 milliards d'années d'existence de l'univers. Comment le scénario du Big Bang résout-il ce problème ?
11. Décrivez le principe anthropique. Quelles sont les propriétés de l'univers qui le rendent « prêt » à accueillir des formes de vie comme vous ?
12. Décrivez les preuves que l'expansion de l'univers s'accélère.

Questions de réflexion

1. Quelle est la sonde la plus utile pour les débuts de l'évolution de l'univers : une galaxie elliptique géante ou une galaxie irrégulière telle que le Grand Nuage de Magellan ? Pourquoi ?
2. Quels sont les avantages et les inconvénients de l'utilisation de quasars pour explorer les débuts de l'histoire de l'univers ?
3. L'accélération de l'univers se produirait-elle s'il était entièrement composé de matière (c'est-à-dire s'il n'y avait pas d'énergie noire) ?
4. Supposons que l'univers s'étende à jamais Décrivez ce qu'il adviendra du rayonnement émis par la boule de feu primitive. À quoi ressemblera l'évolution future des galaxies ? La vie telle que nous la connaissons pourrait-elle survivre éternellement dans un tel univers ? Pourquoi ?
5. Certains théoriciens s'attendaient à ce que les observations montrent que la densité de la matière dans l'univers est juste égale à la densité critique. Les observations actuelles confirment-elles cette hypothèse ?
6. Il existe différentes manières d'estimer l'âge de divers objets de l'univers. Décrivez deux de ces méthodes et indiquez dans quelle mesure elles sont en accord l'une avec l'autre et avec l'âge de l'univers lui-même, tel qu'estimé par son expansion.
7. Depuis l'époque de Copernic, chaque révolution de l'astronomie a éloigné les humains du centre de l'univers. Maintenant, il semble que nous ne soyons même pas faits de la forme de matière la plus courante. Retracez l'évolution de la pensée scientifique sur la nature centrale de la Terre, du Soleil et de notre Galaxie à l'échelle cosmique. Expliquez comment l'idée selon laquelle la majeure partie de l'univers est constituée de matière noire perpétue cette « tradition copernicienne ».
8. Le principe anthropique suggère que, d'une certaine manière, nous observons un type spécial d'univers ; si l'univers avait été différent, nous n'aurions jamais pu exister. Expliquez comment cela s'inscrit dans la tradition copernicienne décrite dans l'exercice précédent.
9. La découverte par Penzias et Wilson du fond diffus cosmique (CMB) est un bel exemple de sérendipité scientifique, découverte par hasard mais qui s'avère avoir un résultat positif. Que cherchaient-ils et qu'ont-ils découvert ?
10. Établissez une chronologie de l'univers et indiquez quand divers événements importants se sont produits, depuis le début de l'expansion jusqu'à la formation du Soleil jusqu'à l'apparition des humains sur Terre.

Se débrouiller par vous-même

1. Supposons que la constante de Hubble ne soit pas de 22 mais de 33 km/s par million d'années-lumière. Quelle serait alors la densité critique ?
2. Supposons que la galaxie moyenne contient\(10^11\)\(M_{\text{Sun}}\) et que la distance moyenne entre les galaxies est de 10 millions d'années-lumière. Calculez la densité moyenne de matière (masse par unité de volume) dans les galaxies. Quelle est cette fraction de la densité critique que nous avons calculée dans le chapitre ?
3. Le CMB contient environ 400 millions de photons par m ³. L'énergie de chaque photon dépend de sa longueur d'onde. Calculez la longueur d'onde typique d'un photon CMB. Conseil : Le CMB est un rayonnement du corps noir à une température de 2,73 K. Selon la loi de Wien, la longueur d'onde maximale en nanomètres est donnée par\(\lambda_{\text{max}} = \frac{3 \times 10^6}{T}\). Calculez la longueur d'onde à laquelle le CMB est maximal et, pour rendre les unités cohérentes, convertissez cette longueur d'onde de nanomètres en mètres.
4. Dans la foulée de l'exercice 5, vous pouvez calculer l'énergie d'un photon typique. Supposons pour ce calcul approximatif que chaque photon possède la longueur d'onde calculée dans l'exercice précédent. L'énergie d'un photon est donnée par\(E= \frac{hc}{\lambda}\), où\(h\) est la constante de Planck et est égale à\(6.626 \times 10^{–34} \text{ J} \times \text{s}\),\(c\) est la vitesse de la lumière en m/s et\(\lambda\) est la longueur d'onde en m.
5. Poursuivez votre réflexion dans les exercices 6 et 7 de Figuring for Yourself, calculez l'énergie dans un mètre cube d'espace, multipliez l'énergie par photon calculée lors de l'exercice précédent par le nombre de photons par mètre cube indiqué ci-dessus.
6. Poursuivant la réflexion des trois derniers exercices, convertissez cette énergie en un équivalent en masse, utilisez l'équation d'Einstein\(E= mc^2\). Conseil : Divisez l'énergie par m ³ calculée lors de l'exercice précédent par la vitesse de la lumière au carré. Vérifiez vos unités ; vous devriez avoir une réponse en kg/m ³. Comparez maintenant cette réponse à la densité critique. Votre réponse devrait être plusieurs puissances de 10 inférieures à la densité critique. En d'autres termes, vous avez découvert par vous-même que la contribution des photons CMB à la densité globale de l'univers est bien inférieure à celle des étoiles et des galaxies.
7. Il existe encore une certaine incertitude quant à la constante de Hubble. a) Les estimations actuelles vont d'environ 19,9 km/s par million d'années-lumière à 23 km/s par million d'années-lumière. Supposons que la constante de Hubble soit constante depuis le Big Bang. Quelle est la gamme possible des âges de l'univers ? Utilisez l'équation dans le texte et assurez-vous d'utiliser des unités cohérentes.\(T_0 = \frac{1}{H}\) (b) Il y a 20 ans, les estimations de la constante de Hubble variaient de 50 à 100 km/s par Mps. Quels sont les âges possibles de l'univers à partir de ces valeurs ? Pouvez-vous exclure certaines de ces possibilités sur la base d'autres preuves ?
8. Il est possible de déterminer l'âge de l'univers en fonction de la valeur de la constante de Hubble et de la distance par rapport à une galaxie, toujours en supposant que la valeur de la constante de Hubble n'a pas changé depuis le Big Bang. Prenons l'exemple d'une galaxie à une distance de 400 millions d'années-lumière qui s'éloigne de nous à une vitesse\(v\). Si la constante de Hubble est de 20 km/s par million d'années-lumière, quelle est sa vitesse ? Il y a combien de temps cette galaxie était-elle juste à côté de la nôtre si elle a toujours reculé à son rythme actuel ? Exprimez votre réponse en années. Comme l'univers a commencé lorsque toutes les galaxies étaient très proches les unes des autres, ce nombre est une estimation approximative de l'âge de l'univers.