El´ ´ ements chimiques lourds et supernovaes

a la pr´esentation rapide que nous avons propos´e ici.

Figure 1.13 – L’histoire de l’Univers en bref.

1.3.7 El´^´ ements chimiques lourds et supernovaes

Notons pour terminer que les ´el´ements chimiques lourds que l’on trouve sur Terre n’ont pas pu ˆetre form´es pendant la nucl´eosynth`ese primordiale. Les autres ´el´ements chimiques sont synth´etis´es dans le cœur des ´etoiles par fu-sion nucl´eaire (naturelle) jusqu’au fer. Au-del`a, la fusion nucl´eaire coˆute de l’´energie et doit ˆetre forc´ee par un apport suppl´ementaire en ´energie. Cela se produit typiquement lors d’une supernovae de type II, `a savoir l’implosion gravitationnelle d’une ´etoile massive (de masse au moins dix fois la masse

1.4 Grandes questions de l’astrophysique et cosmologie

contemporaine 30

du Soleil), suivi du rebond extrˆemement violent (donc d’une explosion) des couches externes de l’´etoile en chute libre vers, et sur le cœur dur central form´e pendant l’implosion, en l’occurrence une ´etoile `a neutron (ou pulsar ). Pour faire simple, les ´el´ement lourds se forment lors du rebond, et sont ainsi diss´emin´es dans la galaxie hˆote. On peut voir ces supernovaes comme des bombes gravitationnellespuisque l’´energie lib´er´ee durant ce processus (et qui peut atteindre 1047 Joules, ce qui fait qu’une supernovae brille pendant quelques jours aussi intens´ement qu’une galaxie enti`ere) provient essentielle-ment de l’´energie potentielle gravitationnelle initiale de l’´etoile.

Notons que les supernovaes qui ont ´et´e utilis´ees en cosmologie pour d´emontrer l’acc´el´eration r´ecente de l’Univers (cf. section suivante) ne sont pas de type II mais de type I (explosion d’une naine blanche atteignant sa limite de Chandrasekhar, i. e. une masse environ 1.4 fois la masse solaire). La grande r´egularit´e de la luminosit´e intrins`eque de ces supernovaes permet en effet d’en d´eduire pr´ecis´ement leurs distances, ce qui, combin´e `a l’observation du d´ecalage spectral (le redshift ) permet une mesure directe de l’histoire r´ecente de l’´evolution de l’expansion de l’Univers, cf. chapitre 12.

1.4 Grandes questions de l’astrophysique et

cosmologie contemporaine

Cette introduction rapide nous permet d´ej`a d’arriver `a deux grandes ques-tions ouvertes et qui font l’objet d’intenses recherches depuis quelques ann´ees. La premi`ere est ce qu’on appelle le probl`eme de la mati`ere noire. Il s’est d’abord manifest´e via les courbes de rotations des galaxies spirales. Dans les galaxies le r´egime est essentiellement non relativiste puisque la vitesse de rotation est faible compar´ee `a la vitesse de la lumi`ere

v_rot

c ∼ 10⁻³,

tandis que le champ gravitationnel galactique est tr`es faible, de l’ordre de GM_gal

L2 gal

∼ 10⁻¹⁰m.s⁻².

Les lois de Newton devraient donc s’appliquer avec une grande pr´ecision. Or, si l’on calcule la vitesse de rotation, par exemple, du Soleil, en connaissant la masse comprise dans son orbite (connue grˆace aux observations), la vitesse

1.4 Grandes questions de l’astrophysique et cosmologie

contemporaine 31

pr´edite par la th´eorie est deux `a trois fois plus faible que la vitesse effecti-vement observ´ee ! Cela n’est ni sp´ecifique `a notre Soleil, ni `a notre galaxie. Les vitesses de rotations sont de fa¸con g´en´erique bien plus grandes que ce qu’elles devraient ˆetre dans toutes les galaxies observ´ees jusqu’`a pr´esent. La premi`ere observation de ce type remonte `a 1933 dans les travaux de l’astro-nome Zwicky.

Cela peut s’expliquer naturellement si la masse des galaxies est en fait bien plus grande que celle que l’on d´eduit de l’analyse de leur luminosit´e. Il fau-drait donc une composante de mati`ere sombre, ou noire, c’est-`a-dire qui n’´emet pas de lumi`ere (Dark Matter en anglais), en quantit´e tr`es importante, pour expliquer ce ph´enom`ene. Typiquement, la masse totale de mati`ere noire dans l’Univers serait au moins cinq fois sup´erieure `a celle de la mati`ere  or-dinaire. La nature de cette mati`ere noire est pour le moment inconnue. La mati`ere noire a aussi un rˆole cosmologique tr`es important.

Une explication concurrente est de dire que la physique des champs gravi-tationnels aussi faibles n’ayant jamais ´et´e ´etudi´ee sur Terre, il est naturel de voir les courbes de rotation de galaxies spirales comme ´etant, justement, un ensemble de donn´ees exp´erimentales sur la physique gravitationnelle en champ ultra-faible. On peut donc refuser l’id´ee de l’existence d’une mati`ere noire exotique, et lui pr´ef´erer la construction d’une th´eorie alternative `a la gravitation de Newton et d’Einstein qui soit donn´ee par des lois nouvelles, notamment dans le r´egime de champ ultra-faible, et de telle sorte que ces lois expliquent les courbes de rotation. Ces th´eories (dites MOND) sont r´ecentes et pas encore pleinement satisfaisantes.

La seconde question est celle de l’´energie noire. Le prix Nobel de physique 2011 a ´et´e d´ecern´e aux deux ´equipes ayant mis en ´evidence en 1998, `a l’aide de l’observation de supernovaes (cf. section pr´ec´edente), que l’expansion r´ecente de l’Univers, au lieu d’ˆetre en d´ec´el´er´ee comme on s’y attend na¨ıvement du fait de l’attraction gravitationnelle entre les corps, est en fait acc´el´er´ee depuis peu (typiquement quelques milliards d’ann´ees). Cela suppose, dans le cadre de la relativit´e g´en´erale en tout cas, que l’Univers contient, en plus de la mati`ere ordinaire et de la mati`ere noire, un fluide de type nouveau, nomm´ee l’´energie noire (Dark Energy), et dont la pression fortement n´egative expli-querait l’acc´el´eration r´ecente de l’Univers. La nature de cette ´energie noire reste cependant myst´erieuse. En effet, mˆeme si le candidat le plus naturel, `

a savoir la constante cosmologique (cf. chapitre 8) permet de rendre compte des observations, il est tr`es fortement suspect´e que cette explication ne soit que provisoire et que le probl`eme de l’´energie noire cache une physique encore inconnue `a ce jour (cf. chapitre 13).

Deuxi`eme partie

Une br`eve histoire de la

Chapitre 2

M´ecanique de Newton et

principe de relativit´e

Remarque : les vecteurs seront not´es en caract`eres gras. Les termes de r´ef´ eren-tiel inereren-tiel ou de r´ef´erentiel galil´een sont ´equivalents et utilis´es indiff´eremment dans ce qui suit.

2.1 Math´ematiques de l’espace-temps de

New-ton

L’espace-temps absolude Newton est d´efini ainsi : • L’espace est euclidien et s’identifie `a R3

• Le temps s’identifie `a l’axe r´eel. L’espace-temps est donc le produit cart´esien R × R³

Introduisons quelques autres d´efinitions. Un r´ef´erentiel R est, d’un point de vue strictement math´ematique, un syst`eme de coordonn´ees (t, x, y, z) sur l’espace R × R<sup>3</sup>, utilis´ees par un observateur (un corps solide situ´e `a l’origine des coordonn´ees) afin de rep´erer les points dans cet espace. Les coordonn´ees spatiales sont dites cart´esiennes si elles forment un maillage obtenu `a par-tir de trois vecteurs de base (e<sub>1</sub>, e<sub>2</sub>, e<sub>3</sub>) (non n´ecessairement orthogonaux entre eux, mais en g´en´eral on choisit un rep`ere orthonorm´e) – cf. sch´ema en cours. Il existe bien sˆur d’autres syst`emes de coordonn´ees possibles, non cart´esiennes, mais n´eanmoins utiles parfois, telles que les coordonn´ees po-laires, cylindriques, sph´eriques, etc. On peut aussi choisir un syst`eme de

2.1 Math´ematiques de l’espace-temps de Newton 34

coordonn´ees tout `a fait quelconque (cf sch´ema en cours), dit aussi syst`eme de coordonn´ees curvilignes. Cependant, du fait de la structure de produit cart´esien du temps et de l’espace, on ne peut pas m´elanger les coordonn´ees temporelles et spatiales. L’espace-temps Newtonien est n´ecessairement un feuilletage d’espaces euclidiens R3 index´es par la variable temporelle.

Anticipons un peu sur quelques notations que nous retrouverons dans le cours de relativit´e restreinte et g´en´erale. Il ne sera pas inutile de relire cette section `

a ce moment-l`a, afin de voir comment la relativit´e restreinte puis g´en´erale g´en´eralisent cette construction math´ematique. Rappelons d’abord qu’un es-pace euclidien (R3, ici) est par d´efinition R3 vu comme espace vectoriel sur R, et muni d’un produit scalaire permettant la d´efinition d’une distance. La base canonique de l’espace vectoriel R<sup>3</sup> (i. e. un rep`ere orthonorm´e) est d´efinie par trois vecteurs e₁, e₂, e₃, satisfaisant aux conditions d’orthonor-malit´e : e₁.e₁ = 1, e₁.e₂ = 0, etc. o`u le point d´enote le produit scalaire. De fa¸con plus g´en´erale, pour i, j dans (1, 2, 3)

e_i.e_j = δ_ij (2.1)

o`u δ_ij est le symbole de Kronecker (vaut 1 si i = j, z´ero sinon). On peut ranger ces valeurs dans une matrice [e_i.e_j], et l’on a

[e_i.e_j] =   1 0 0 0 1 0 0 0 1  

Cette matrice s’appelle la m´etrique de l’espace. Il faut noter qu’elle prendrait une valeur diff´erente dans un autre choix de base (par exemple non ortho-norm´e). En particulier, la matrice repr´esentant la m´etrique g_ij = [e_i.e_j] n’est pas n´ecessairement diagonale. En revanche, elle est sym´etrique (par sym´etrie du produit scalaire), et r´eelle, et donc diagonalisable : en tout point P il existe des coordonn´ees telles que la m´etrique puisse toujours s’´ecrire sous forme canonique g_ij = δ_ij = diag(1, 1, 1).

En fait, l’espace euclidien R³ ´etant plat, il existe toujours un syst`eme de coordonn´ees globales (i. e. couvrant tout l’espace), tel que les vecteurs e<sub>i</sub>, tangents aux lignes coordonn´ees xi, satisfont g<sub>ij</sub> = δ<sub>ij</sub> en tous points. Comme nous le verrons en relativit´e g´en´erale<sup>1</sup>, lorsque l’espace n’est plus plat, mais seulement localement plat, il est toujours possible localement de donner `a la m´etrique sa forme canonique. En revanche cela n’est pas possible globalement (`a moins, pr´ecis´ement, que la courbure soit nulle partout).

1. A la nuance importante pr`es, qu’en relativit´e g´en´erale, on parlera de la courbure de l’espace-temps (quadri-dimensionnel), et pas seulement de l’espace tridimensionnel