• Les Quasars

    Par foxxy1 le 2 Mars 2008 à 14:51

    Les Quasars

    Les quasars (de l'Anglais Quasi-Stellar) sont parmi les plus anciens phénomènes célestes connus, et pour cause, on les détecte aux confins de l'Univers. Comme chacun le sait, celui qui voit très loin dans l'espace, voit très loin dans le temps. Faisons un « petit » voyage dans l'espace, notre œil rivé sur l'oculaire d'un gros télescope...

    Quittons tout d'abord notre Voie Lactée puis sortons de notre amas local, les prochaines galaxies spirales identiques à la nôtre ne se trouvent qu'à 8 millions d'années lumières. Plus loin, nous rencontrons d'autres types de galaxies, elliptiques ou irrégulières. Plus on s'éloigne, et plus ces objets faiblissent en luminosité et rapetissent. Pourtant, en arrivant aux frontières de l'Univers visible, on distingue maintenant des galaxies plus brillantes, 100 fois voire 1000 fois plus brillantes que les plus brillantes de notre superamas !! Ces galaxies ont un point commun, elles abritent en leur cœur un quasar ...

     

    Tout commence durant les années 1940/50, où furent établies les premières cartes radio du ciel. C'est ainsi qu'on a détecté plusieurs radiosources localisées dans l'espace, des sources se détachant très nettement sur l'émission radio générale de l'Univers. La plupart de ces sources s'expliquèrent comme étant situées à l'intérieur de notre galaxie, par exemple sous forme de nuages d'hydrogène ionisés ou de rémanents de supernovae ; mais d'autres radiosources semblaient plus exotiques, leur intensité fluctuant très rapidement...
    On pensait alors à des émissions de petite envergure et à une distance proche. Mais en 1949, on se rendit compte que les positions de bon nombre de ces sources coïncidaient avec la position de centaines de galaxies, toujours elliptiques !
    Cependant, il arrivait parfois qu'aucune cible ne soit trouvée à l'endroit de l'émission ... Des années plus tard, en 1962, la technologie permit de cibler avec plus de précision, on s'aperçu alors que deux de ces émissions (nommées 3C 48 et 3C 273) provenaient d'un objet semblable à une étoile, que rien ne distinguait d'une étoile à vrai dire. Le paradoxe, c'est que si ces objets avaient effectivement été des radio étoiles, alors elles auraient été invisibles par les télescopes. A moins que ces étoiles aient eu des émissions considérablement élevées par rapport au Soleil par exemple...

     


    Pour en avoir le cœur net, on procéda à une étude minutieuse des raies spectrales de ces émissions, et ces spectres apparurent comme inédits et uniques : ils ne ressemblaient à aucune étoile répertoriée (on ne retrouvait pas la présence d'hydrogène, ni azote, ni oxygène, ni soufre) ! On pris alors conscience, en se rappelant de la loi de Hubble sur l'expansion de l'Univers, que ces raies étaient finalement bien connues, mais qu'elles avaient subi un fort décalage spectral vers le rouge, selon l'effet Doppler-Fizeau ! C'est l'astronome néerlandais Maarten Schmidt (Mont Palomar) qui fit cette découverte.

     

    Pour 3C 273, on calcula alors que sa vitesse de récession (sa fuite) était de l'ordre de 43 600 km/s, ce qui correspondait à une distance 1 milliard ½ d'années lumière !
    On calcula ainsi la luminosité de l'astre grâce aux données sur sa distance et son éclat apparent ... Celle-ci était gigantesque, des centaines de fois supérieures à la luminosité d'une galaxie entière !

     


    D'où provient l'énergie fabuleuse des quasars ? On sait que les quasars sont de très petite taille, puisque certains présentent de rapides variations de luminosité (un objet ne peut changer plus rapidement que le temps mis par la lumière pour le parcourir). En effet, la brillance des quasars peut changer d'une journée à l'autre, donc on peut considérer que leur taille n'excède par un jour lumière, c'est-à-dire environ 26 milliards de km. Un tel objet n'est donc pas supérieur à la taille de notre système solaire.
    Connaissant approximativement la taille d'un quasar, et en prenant en compte la fantastique énergie déployée par celui-ci, on en conclue que le corps doit dépasser plusieurs millions de masses solaires ! La théorie la mieux acceptée par les physiciens est qu'il s'agit finalement de la manifestation d'un trou noir.



    Un trou noir, objet théorique prévu par la relativité générale, est un objet si dense que la vitesse nécessaire pour s'en libérer est supérieure à celle de la lumière ! C'est-à-dire que même les photons piégés par un trou noir sont condamnés à y rester, voilà pourquoi on l'appelle « trou noir».

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  • Galaxies

    Par foxxy1 le 29 Février 2008 à 12:27

    Galaxies

    Introduction.

    La matière n'est pas répartie uniformément dans l'univers. Elle se regroupe dans de 

    grands îlots appelés galaxie. Les premières galaxies sont apparues il y a environ 1 milliard  d'années après le big-bang. Les galaxies se forment grâce à l'action de la gravité (qui permet la cohésion de la matière donc "l'unité" des galaxies). Nous verrons que les galaxies ont une forme structurée. Il existe trois principaux types de galaxie différentes, notamment différentiés par leur composition et leur forme. Il se forme, toujours grâce à l'action de la gravité, des amas et des superamas de galaxies.

    Structure des galaxies.

    Les galaxies sont principalement constituées d'étoiles (donc de gaz);de poussières et de matière noire. Cette dernière reste énigmatique au yeux des astrophysiciens. Etant invisible, l'étude de cette  "matière exotique" se révèle ardue. La masse d'une galaxie est, à 80%, composée de matière noire.  On comprend alors le rôle crucial de cette dernière qui permet " l'unité" des galaxies. La détection de  matière noire est possible lorsque le "nuage" est suffisamment dense pour empêcher la lumière de le traverser. Les galaxies sont structurées d'un bulbe au centre et de longs bras en spirale aux extrémités. Le bulbe est très dense est regroupe les étoiles les plus anciennes et les moins lumineuses. Le bulbe abrite de10 000 à 1 million d'étoiles. Une galaxie possède environ 200 milliards d'étoiles (l'univers compte encore plus de galaxies). Les galaxies effectuent un mouvement de rotation autour du centre. Ce mouvement est à l'origine de la création des bras spiraux. La vitesse de rotation varie selon les galaxies. Dans les bras se situent les grands nuages interstellaires (composés principalement  d'hydrogène), c'est là que les étoiles de tous types se forment. Dans les bras, la vitesse des étoiles est la même quelle que soit leur position dans le disque. Donc les étoiles proches du bulbe effectuent une révolution complète plus rapidement que les étoiles situées loin du centre. Ce qui explique que les bras présentent une forme enroulée.

    Les étoiles les plus jeunes ou de courte durée de vie (géantes bleues) se situent le long des bras spiraux dans des secteurs appelés amas stellaires ouverts. Tandis que les étoiles qui vivent plus longtemps (les rouges en particulier) sont concentrées dans le bulbe des galaxies.

    La voie lactée

    La voie lactée a un diamètre de 100 000 années lumières (l'année lumière est une unité de distance couramment utilisée en astrophysique. Elle correspond à la distance parcourue par la lumière en une année). Une épaisseur de1 000 a.l dans les bras et 5 000 a.l au niveau du bulbe. La vitesse de rotation de ses bras spiraux est de 250 Km/s. Elle possède quatre bras spiraux:: le bras externe dénommé Persée, le bras interne dénommé cygne, le bras intermédiaire dénommé écu-croix et le bras spiral majeur dénommé sagittaire-carène.

    Le soleil est situé sur cette dernière à 28 000 a.l du centre. 150 milliards  d'étoiles la composent. Dans le bulbe , recèle un objet compact de forte masse qui pourrait être un trou noir géant. 

    Les trois grands types de galaxie.

    Il existe trois grandes "familles" de galaxies différentiées par leur taille; composition et leur forme. 

    Tout d'abord, les galaxies dites spirales. Elles représenteraient environ 80 % de la totalité des galaxies. Elles sont essentiellement constituées de gaz. La matière qui la compose se situe principalement dans les bras de la galaxie. Ces galaxies possèdent un grand nombre de géantes bleues conçues grâce à la présence abondante de matière noire.

    Le second grand type est appelé : elliptique Elles représentent 15 % des galaxies. On ne trouve presque pas de gaz ou de poussière dans ce type de galaxies. Leur taille est très variable , les plus étendues font partie des galaxies les plus grandes de l'univers. Ne possédant que très peu de gaz , elles ont beaucoup de vieilles étoiles et peu d'étoiles jeunes qui consomment énormément de gaz (comme les géantes bleues).

    Enfin, les galaxies irrégulières, qui ne constitueraient que 5 % des galaxies, sont les plus petites galaxies qui existent (Les plus grandes d'entres elles ne dépassent pas les  35 000 a.l). Les étoiles qui la constituent sont principalement bleues. Les galaxies irrégulières ne possèdent pas une structure organisée comme les deux autres types. Elles sont formées par des étoiles jeunes ;on en déduit qu'elles contiennent beaucoup de gaz et de poussière.

    Amas et collisions de galaxies

    L'univers, est composé de centaines de milliards de galaxies. Grâce a l'action de la gravité (qui est également à l'origine de la formation des galaxies), les Galaxies sont attirées les unes vers les autres. Il se forme alors des grands groupes de galaxies appelés amas (voir superamas pour les endroits qui regroupent plusieurs amas!!). Parfois, l'action de la gravité sur les galaxies entraîne des collisions de galaxies.

    Les amas observés sont généralement très éloignés de nous. De telle manière que nous les  voyons tels qu'ils étaient il y a des millions voir des milliards d'années (le temps que la lumière parvienne jusqu'à nous). Or, selon la théorie du big-bang, l'univers est de moins en moins dense. Les collisions observées avaient donc lieu a une époque ou l'univers était plus dense que de nos jours. La matière étant plus regroupée, les collision étaient, par conséquent  plus nombreuses dans le passé qu'actuellement. L'amas MS 1054-03 est situé à 8 milliards d' a.l. Les galaxies observées dans cet amas sont vues comme elles étaient il y a 8 milliards d'années. La collision ci-dessous est terminée depuis déjà quelques milliards d'années.

    La voie lactée et la galaxie d'Andromède sont les deux galaxies les plus grosses de notre amas. Elles sont inexorablement attirées l'une vers l'autre à la vitesse de 275 Km/s. A cette vitesse, les deux galaxies entrerons en collision dans 4 à 5 milliards d'années.

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  • Aurores polaires et Boréales

    Par foxxy1 le 29 Février 2008 à 11:04
    Après de longues années d'étude du champ magnétique terrestre et solaire, permises grâce à la conquête de l'espace, on sait que les aurores polaires sont en fait le résultat de précipitation de protons et d'électrons dans la haute atmosphère qui, portées à un état excité par cet impact  de particules énergétiques, émettent un photon de longueur d'onde spécifique.

    Les aurores polaires sont donc le reflet de la haute atmosphère terrestre, mais elles sont également la manifestation la plus visible entre le vent solaire et le champ magnétique.

    Un exemple le champ magnétique terrestre :

    De nombreux astres de l'univers possèdent un champ magnétique : ils sont souvent de tailles importantes allant de la planète aux plus grosses étoiles. Ces champs magnétiques sont créés par la bipolarisation de l'astre, comme un énorme aimant, avec une partie « positive » et une partie « négative » ; et cette bipolarisation est le résultat de diverses mouvements de convexions d'éléments minéraux (comme le fer liquide) à l'intérieur de l'astre c'est à dire son noyau liquide. Et c'est ce qui se passe sur notre planète : à l'intérieur du noyau liquide de nombreux éléments chimiques chargés circulent sous forme de mouvements de convexions (c'est l'hypothèse la plus plausible qu'on proposait les scientifiques).

    Suite à cela, des lignes de champs sont ainsi « créées », partant du pôle - pour rejoindre le pôle + (ou dans le sens inverse, selon la charge de la particule en question).Ces lignes formes des couches concentriques de chaque « côtés » de la terre, de même dimension et s'éloignant de plus en plus. Les particules ainsi piégées par ces lignes de champs vont les suivre et retourner ainsi vers la terre, du côté opposé de son émission (pour simplifier, un électron arrivera au pôle nord et un noyau d'He++ au pôle sud) : c'est ce champ magnétique qui permet à de nombreux éléments de rester dans l'atmosphère terrestre (H2,N2,O2,CO2...) et qui rendent donc possible l'existence de la vie. Mais les particules ne suivent pas les lignes de champs de façon linéaires, elles s'enroulent autour d'elles avec un rayon égal au Rayon de Larmor de la particule (ce qui sera un facteur très important pour la suite).

    Cependant, ces déviations de particules chargées du vent solaire ou provenant directement de la Terre engendrent des modifications de pression des gaz magnétisés et ionisés qui, à leur tour, produisent de nouveaux courants électriques qui sont à l'origine d'un autre champ magnétique. Le champ « total » (avec celui de la Terre) qui en résulte et donc nettement plus complexe que le champ théorique décris au dessus et correspond nettement plus a la réalité : on appelle cela la Magnétosphère.

    Dans ce milieu interstellaire, en vulgarisant ce phénomène, la matière chargée amenée par le vent solaire (électrons, protons, ions...) va contourner le champ magnétique induit par la terre. La Force de Lorentz étant la plus importante dans ce cas ci, les électrons et les protons sont déviés dans des directions opposées. Cependant, comme nous l'avons déjà remarqué, un mouvement de charges génère un champ magnétique. Il y a alors deux champs magnétiques qui se rencontrent au voisinage de la Terre : celui créé par le vent solaire et celui induit par la Terre. La pression cinétique du vent solaire va alors « tasser » les lignes de champs de la Terre du côté soleil et au contraire étirer ces lignes du côté « nuit », créant ainsi une « queue neutre » qui s'éloigne du côté opposé au soleil. Cette « lame » est considérée comme neutre car elle se situe entre un flux de particules positives et un flux de particules négatives (2 lignes de champs de sens opposées), ce qui pousse à l'extrême le vide de cette région (moins d'1particule.cm-3, record absolu de vide).

    Les mécanismes dans l'atmosphère :

    Les particules chargées provenant du vent solaire pénètrent dans l'atmosphère au niveau des pôles car elles sont attirées du fait de leur charge. Lorsque les particules du vent solaire pénètrent dans l'atmosphère et plus majoritairement dans la ionosphère (entre 70 km et 750 km d'altitude), elles entrent en collision avec les composants de celle-ci. Lors de cette collision les particules solaires cèdent de l'énergie  aux différents atomes qui composent l'atmosphère ce qui les rend dans un état « excité et ionisé » : c'est la désactivation collisionnelle. Cet état excité est très court et ne dure que quelques millionièmes de secondes. Pour retrouver un état normal ces atomes excités vont émettre une lumière. Cette désexcitation par l'émission d'une lumière est à l'origine des spectres de lumières émis lors des aurores polaires.

    Les aurores boréales et australes :

    Caractéristiques :

    Les aurores boréales sont les aurores polaires qui se trouvent au Nord alors que les aurores australes sont les aurores polaires qui se trouvent au sud.

    A chaque fois qu'une aurore boréale se produit dans l'hémisphère Nord  il y a une aurore australe qui se produit aussi dans l'hémisphère sud cependant leurs intensités seront différentes. Les aurores polaires possèdent des cycles de11 ans ce qui est en adéquation avec le cycle des grandes éruptions solaires.

    Lieu de formation :

    Les aurores polaires les plus visibles se forment essentiellement au niveau de l'ovale auroral car la magnétosphère est à basse altitude. Cette zone délimite les régions proches des pôles  et fait un cercle d'un rayon de 2000 km d'envergure en période de soleil calme(peu d'éruption) alors qu'il tend à s'étendre et s'excentrer en période de soleil actif(beaucoup d'éruption).

    Les aurores les plus visibles se manifestent généralement entre 100 km et 200 km car c'est à cette altitude que l'intensité lumineuse est la plus importante.

    Les couleurs des aurores polaires :

    La couleur étant liée à la longueur d'onde elle sera donc liée au type d'atome ou de molécule qui émettra le spectre. La couleur varie aussi en fonction de l'altitude car la proportion des atomes  pouvant être excités varie selon l'altitude. Rappelons que le domaine du visible pour l'homme se situe entre 400 nanomètres et 800 nanomètres et que sous 400 nm, c'est le domaine de l'ultraviolet et qu'au-dessus de 800 nm c'est le domaine des infrarouges. De ce fait beaucoup des émissions étant faites dans le domaine de l'invisible peu des aurores polaires sont observables à l'œil. Rappelons que l'atmosphère est composée à 79% d'azote et à 20% d'oxygène. De ce fait les principales émissions dans le visible  sont faites par :                                                            

    • la molécule d'azote (N2) qui à 100 Km d'altitude émet une raie violette ou bleu très peu visible (427nm).
    • les atomes d'oxygènes (O) qui à 100 Km d'altitude émettent une raie de couleur jaune vert (557 nm).
    • les atomes d'oxygènes (O),qui sont plus haut, produisent une couleur rouge foncée (630 nm).
    • les atomes d'azotes (N) produisent une couleur rouge (520 nm).
    Les aurores polaires de couleur jaune vert ou rouge foncé sont dues à l'oxygène, alors que celles de couleur rouge ou bleu violette sont dues à l'azote.

     


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  • Les particules élémentaires

    Par foxxy1 le 27 Février 2008 à 14:22

    Les particules élémentaires

    Classification des particules

    Au début des années 1930, on connaissait très peu de particules élémentaires. On savait que le noyau d'un atome est constitué de protons et de neutrons (découverte du neutron par le physicien britannique James Chadwick en 1932), autour duquel gravitent des électrons. On avait également mis en évidence le photon, le constituant fondamental de la lumière qui véhicule le rayonnement électromagnétique. Après 1945, la découverte de particules élémentaires s'accéléra, grâce à l'étude des rayonnements cosmiques dans un premier temps, puis aux accélérateurs de haute énergie (voir particules, accélérateur de). Actuellement, plusieurs centaines de particules ont été répertoriées et classées selon le type de leurs interactions, le nombre de quarks qui les composent et la valeur de leur spin.     


    Antiparticules

    En 1930, le physicien britannique Paul A. M. Dirac émit la théorie suivante : à chaque particule est associée une autre particule de charge électrique opposée, nommée antiparticule. En dehors de sa charge, cette antiparticule présente les mêmes grandeurs caractéristiques que la particule correspondante (masse, durée de vie, etc.). Le physicien américain Carl D. Anderson découvrit en 1932 la première antiparticule, celle de l'électron, qu'on appela positron. En 1955, le physicien Owen Chamberlain fut à l'origine de la découverte de l'antiproton. Certaines particules sont leurs propres antiparticules, comme le photon. Les physiciens utilisent généralement une barre pour désigner une antiparticule. Par exemple, l'antineutrino est l'antiparticule du neutrino.

    Interactions

    Les scientifiques distinguent quatre types d'interactions qui s'exercent entre les constituants de la matière :     Les interactions nucléaires ou fortes représentent les forces de plus grande intensité, elles sont à l'origine de la cohésion des protons et des neutrons au sein du noyau atomique. Viennent ensuite, par ordre décroissant d'intensité, les interactions électromagnétiques, qui assurent les liaisons entre les électrons et le noyau. Ces interactions sont responsables des réactions chimiques. Bien plus petites sont les interactions faibles, qui gouvernent la désintégration de certains noyaux radioactifs. Elles furent observées pour la première fois en 1896 par Henri Becquerel. Les interactions gravitationnelles sont encore plus faibles, même si elles sont observables à grande échelle (chute des corps, mouvement des astres).     D'après la théorie quantique, on sait que ces interactions sont véhiculées par des grains d'énergie, appelés quanta. Ainsi, les particules appelées gluons sont responsables des interactions fortes. Le photon est à l'origine des interactions électromagnétiques, tandis que les interactions faibles agissent par échange de particules appelées bosons intermédiaires. Dans le cas de l'interaction gravitationnelle, on a émis l'hypothèse de l'existence d'une particule appelée graviton, mais qui n'a pu être observée jusqu'ici. 

    Leptons et hadrons

    Outre les particules citées ci-dessus, associées aux interactions, il faut mentionner également les particules élémentaires qui composent la matière. On les classe selon deux catégories : les leptons et les hadrons. Les leptons ne subissent pas les interactions fortes. Six particules en font partie, dont l'électron. En effet, l'électron n'est pas sensible aux interactions fortes, puisqu'il peut s'évader du noyau atomique. En revanche, les hadrons sont des particules qui subissent toutes les interactions.     

    Quarks

    En 1964, les physiciens américains Murray Gell-Mann et George Zweig émirent simultanément l'hypothèse que les hadrons sont composés de constituants plus petits, baptisés quarks. Ils imaginèrent l'existence de trois quarks et de trois antiquarks de charge électrique opposée. On distingue alors deux types de hadrons, les mésons et les baryons, selon le nombre de quarks qui les composent. Les baryons sont constitués de trois quarks, alors que les mésons se composent d'un quark et d'un antiquark. En 1974, les physiciens américains Ting et Richter découvrirent un autre quark, le quark c, contenu dans de nouvelles particules, baptisées J ou psi. En 1977, on mit en évidence un cinquième quark b. Enfin en 1995, conformément à la théorie du modèle standard, le sixième et probablement dernier quark, le quark t, fut découvert au sein du Fermilab.

    Spin

    Les particules peuvent également être classées en fonction de leur spin, qui peut s'assimiler à leur moment angulaire. Cette grandeur quantique ne peut prendre que des valeurs discrètes entières ou demi-entières. Les leptons possèdent tous un spin égal à ½, tandis que les hadrons peuvent avoir des spins de 0, ½, 1, ou plus. On appelle bosons les particules de spin entier, et fermions les particules de spin demi-entier.      

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