Exercices: L'origine de l'Univers

Expliquer en quoi consiste la théorie du Big Bang et indiquer il y a combien de temps, approximativement, se situe l'origine de l'Univers.

Citer deux observations qui appuient la théorie du Big Bang et expliquer brièvement chacune.

Observer la frise chronologique de l'Univers (qui n'est pas à l'échelle) : les lettres A, B, C et D désignent quatre événements — Big Bang, formation du Soleil, formation de la Terre et apparition de la vie — sans indiquer lequel est lequel. Identifier quel événement correspond à chaque lettre, les classer du plus ancien au plus récent et indiquer il y a combien de temps chacun s'est produit, approximativement.

Hubble a observé que la lumière des galaxies lointaines est décalée vers le rouge. Expliquer ce qu'est le décalage vers le rouge et quelle conclusion sur l'Univers on déduit de cette observation.

Décrire les principales étapes de la formation du système solaire à partir d'une nébuleuse : effondrement du nuage de gaz et de poussières, formation du Soleil au centre et disque protoplanétaire.

Qu'est-ce que le fond diffus cosmologique ? Expliquer pourquoi sa détection est considérée comme une preuve clé du Big Bang.

Un camarade de classe affirme : « Comme depuis la Terre on observe que presque toutes les galaxies s'éloignent de nous dans toutes les directions, la Voie lactée doit occuper le centre physique exact de l'Univers où s'est produit le Big Bang ».

1. a) S'appuyer sur l'analogie de la surface d'un ballon avec des points dessinés que l'on gonfle pour réfuter son affirmation : déduire ce qu'observerait un astronome situé dans n'importe laquelle des autres galaxies.
2. b) Identifier une limite importante de cette analogie : expliquer pourquoi situer le Big Bang au « centre intérieur creux » du ballon est une erreur conceptuelle sur l'expansion de l'espace.

Le vulgarisateur Carl Sagan a popularisé la phrase « nous sommes de la poussière d'étoiles ». Analyser la provenance des atomes de votre corps à partir de ces données : l'hydrogène représente environ $62\,\%$ du total des atomes, l'oxygène $24\,\%$, le carbone $12\,\%$ et le fer $0,001\,\%$ (essentiel dans l'hémoglobine pour transporter l'oxygène).

1. a) Justifier pourquoi le carbone, l'oxygène et le fer ont dû se former à l'intérieur d'étoiles précédentes ou lors de leur mort, et non pendant le Big Bang.
2. b) Déduire pourquoi autour des étoiles de première génération (Population III, formées peu après le Big Bang uniquement d'hydrogène et d'hélium) il était impossible que existent des planètes rocheuses abritant la vie comme la nôtre.

Dans le « calendrier cosmique », les $13\,800$ millions d'années de l'Univers sont condensées en une seule année de 365 jours (le 1er janvier à 00 h 00 correspond au Big Bang et le 31 décembre à 24 h 00 au moment présent).

1. a) Calculer à quelle date approximative (mois et jour) la Terre s'est formée (il y a $4\,600$ millions d'années) et à quelle date et heure approximatives le genre humain est apparu (Homo, il y a environ $2,8$ millions d'années). Montrer les calculs.
2. b) Au vu de ces résultats, réfuter l'argument anthropocentrique selon lequel l'Univers existerait avec pour but principal d'abriter l'espèce humaine, en comparant la fraction de temps que représente notre existence à celle du cosmos.