6 La formation de la matière.

Objectifs : Devenir capable de

Mots et concepts clefs :

photon modèle
masse énergie
température échelle Kelvin
agitation thermique
 

Les photons : des grains ou des ondes ?

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Le problème de la nature de la lumière est posé depuis l'Antiquité : les défenseurs de la théorie ondulatoire se sont souvent opposés aux champions de la théorie de la nature particulaire de la lumière sans jamais arriver à se départager.
Jusqu'à maintenant, nous avons considéré que la lumière est un phénomène ondulatoire. En effet, de nombreuses expériences peuvent être rationalisées si l'on admet que la lumière est une onde électromagnétique (effet Doppler, interférences, ...).
Toutes les observations ne peuvent cependant pas être expliquées si on se réfère à ce seul modèle. Pour expliquer certaines expériences, Einstein avance l'hypothèse de l'existence de photons qui ne seraient rien d'autre que des " grains " de lumière. Cette théorie lui valut le prix Nobel en 1921.
Le modèle corpusculaire ne permet cependant pas non plus d'interpréter toutes les observations. Le modèle ondulatoire et le modèle corpusculaire sont complémentaires : chacun interprète une facette du réel. Aucun des deux n'a l'ambition d'expliquer comment les choses sont ! La réalité dépasse notre entendement.
Les modèles scientifiques sont des constructions de l'esprit qui permettent de comprendre le monde observable, d'interpréter les expériences réalisées. Cette remarque nous oblige à remettre en question une vision de la science détentrice de la seule Vérité.
Lorsqu'un modèle ne permet pas d'interpréter une observation, on est obligé de la modifier ou d'en changer. 

Équivalence masse = énergie.

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Le fait qu'une masse puisse être transformée en énergie était prévu par Einstein (encore lui !) comme une conséquence de ses théories de la relativité.
Il démontre la relation suivante :

E = m . c2

où c = vitesse de la lumière = ±300.000 km/s

Cette formule met en relation une quantité d'énergie (E) et la quantité de matière (la masse m) qui lui correspond lors de la transformation de l'une en l'autre.
La réalité de cette équation a tristement été mise en évidence en 1945 au-dessus des villes japonaises de Hiroshima et Nagasaki. Dans la bombe nucléaire, des noyaux d'atomes lourds (U, Pu,...) subissent la fission. Au cours de ce phénomène, une certaine quantité de matière se transforme instantanément en énergie destructrice.
Dans la bombe d'Hiroshima, un gramme ( !) de matière a été transformé en énergie pure.
On calculerait aisément que la transformation en énergie de 1 kg de matière fournit autant d'énergie que la combustion de 10 millions de tonnes de charbon, soit 250.000 wagons de 40 tonnes.
Il ne faut pas confondre cette désintégration de matière avec une simple combustion : dans cette dernière, la quantité totale de matière ne varie pas, tous les atomes présents dans les combustibles se retrouvent dans les produits, avec un autre arrangement. Dans les phénomènes nucléaires, il y a disparition totale de la matière : la loi de Lavoisier ne s'applique plus ici de manière stricte.
Le phénomène inverse, transformation de l'énergie en matière peut également se produire. Un rayonnement très énergétique peut se matérialiser sous forme de deux particules complémentaires (Ex : une particule gamma se transforme en un e- et un e+). Ce phénomène d'apparition de matière est d'observation courante pour le physicien des particules.
Nous parlerons donc dorénavant de l'Energie-matière comme d'une réalité à deux visages. Énergie et matière sont équivalentes. 

Il y eut un premier matin.

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Tout ce que nous pouvons dire avec une certaine assurance à propos du début de l'Univers est qu'il s'est produit une formidable explosion (le Big Bang).
Les théories scientifiques modernes permettent de se faire une idée de ce que pouvait être l'Univers à partir de l'instant 10-43 seconde après le Big Bang. Pour des raisons théoriques liées à la mécanique quantique, il n'est pas possible d'établir de théorie à propos des événements antérieurs.
A ce moment, l'univers est constitué d'énergie pure, de la lumière extrêmement énergétique sous la forme de grains de lumière : des photons se comportant comme des particules de gaz. Un gaz est constitué de particules indépendantes les unes des autres ; aucune particule ne subit l'influence des autres. Il en est de même pour les photons qui constituent l'univers à l'aube des temps, c'est pourquoi on parle d'un gaz de photons. Dans ce gaz de photons, la température est extrêmement élevée (>1015 degrés, peut-être infinie). C'est dans ces conditions que la matière a commencé à se former.
L'univers, à ses débuts, est entièrement contenu en un point infiniment petit ou la température est (peut-être) infiniment élevée. Les modèles mathématiques de l'univers admettent pour cet instant un point singulier.

 

Création des particules élémentaires : le jeu de construction des dieux.

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Nous avons tous fait l'expérience d'utiliser une bombe de produit aérosol (laque, peinture, crème Chantilly, ...). Après quelques secondes d'utilisation, on se rend compte que le récipient que nous tenons en main refroidit. C'est que la dilatation d'un gaz est un phénomène qui demande de l'énergie. L'énergie utilisée est l'énergie thermique de notre main et de l'air environnant.

Du bouillon Liebig à la soupe cosmique.

Lorsque nous chauffons de la soupe, nous lui communiquons une certaine quantité d'énergie provenant de la cuisinière. Sous l'effet de l'apport d'énergie, les molécules d'eau et d'aliments contenus dans la soupe se mettent en mouvement de plus en plus rapide. Ces molécules se mettent à frapper très violemment les parois du récipient. La température augmente. La chaleur se manifeste donc par une très forte agitation des molécules constitutives du liquide. Plus il contient de molécules rapides, plus le liquide est chaud.
Le potage est maintenant bouillant. Observons-le. De temps en temps, certaines molécules d'eau très accélérées se trouvent projetées verticalement vers le haut et quittent le potage ; ces molécules vont constituer les vapeurs au-dessus du liquide chaud. La plupart d'entre-elles vont frapper des molécules de l'air ou de la vapeur d'eau et, sous le choc, sont renvoyées vers la soupe.
Si je souffle au-dessus de la surface du potage, j'écarte ces molécules et les empêche ainsi de retourner dans le liquide. Ce dernier contient alors quelques molécules très rapides en moins. La soupe se refroidit. Les molécules écartées ont emporté une partie de l'énergie contenue dans le potage.
Laissons maintenant refroidir la soupe. Les molécules qui la constituent ralentissent au profit des molécules du récipient et de l'air environnant. Quand la température du potage atteint 0°C, l'agitation des molécules est-elle arrêtée ? Pas du tout. Elle se poursuit, quoique avec une amplitude inférieure. En fait, l'agitation ne s'arrête que lorsque la température atteint -273°C. C'est la température la plus basse qui puisse exister puisque à ce moment, les molécules ont perdu toute leur énergie d'agitation ; elles ne peuvent pas en perdre plus.
La température de -273°C étant la plus basse qu'il soit possible d'atteindre, on a imaginé prendre comme base d'une échelle de température : c'est l'échelle Kelvin. Le 0 de l'échelle Kelvin (on dit 0 K) vaut -273°C (c'est le zéro absolu). L'échelle est ensuite graduée avec de la même façon que l'échelle centigrade ; donc, 273 K = 0°C, 373K = 100°C, ...
L'échelle Kelvin (encore appelée " échelle absolue de température ") est une échelle très couramment utilisée en sciences.
L'histoire de l'univers est celle d'une continuelle diminution de température. Le Big Bang a provoqué l'expansion de l'Univers. Le gaz de photons se comporte exactement comme un gaz matériel : son expansion provoque une diminution de la température de l'univers. Depuis la température extrême des premiers instants, la diminution a été constante. Actuellement, la température moyenne de l'univers n'est plus que de l'ordre de 3 K !

Comment se forment les particules élémentaires.

Pour fabriquer de la matière, il suffit que deux photons très énergétiques entrent en collision. L'énergie dégagée durant le choc permet la fabrication de particules (E = m.c2).
Les particules constitutives de la matière les plus lourdes ont pu se créer les premières. En effet, l'énergie disponible au début de l'univers était la plus grande ; après, l'univers a commencé à se refroidir : la vitesse des photons a diminué. Donc, si la température descend fort, on ne peut plus fabriquer que des particules légères.

Quelques dates de la formation de l'univers.

Les p+ (protons) et les n° (neutrons) actuels se sont formés alors que la température de l'Univers était supérieure à 1,6.1012 K. La période correspondante s'est terminée 10-4 s après le Big Bang.
Les électrons peuvent encore se former alors que la température diminue (tant qu'elle n'est pas descendue en dessous de 6.109 K. Il s'est alors passé 3 secondes depuis le Big Bang. La densité de l'univers a déjà fort diminué, mais elle est encore de 3,8 milliards de kg/litre.
L'énergie des photons est encore telle, à ce moment, que toutes les particules citées ne peuvent s'unir pour former des atomes, ni même des noyaux d'atomes (les chocs des photons empêchent toute association stable).
Au bout de 30 secondes, la température devient assez basse pour que les photons n'empêchent plus la formation du premier noyau (seulement 1 milliard de degrés !).
Un p+ et un n° s'associent pour former un noyau de deutérium (hydrogène lourd).

Les atomes d'hydrogène sont formés d'un proton autour duquel gravite un électron; les atomes de deutérium possèdent, en plus, un neutron dans leur noyau. Les propriétés chimiques de l'hydrogène ne sont pas liées à la constitution du noyau. Dès lors, le deutérium et l'hydrogène " normal " qui possèdent la même structure électronique ont des propriétés chimiques identiques; c'est la raison pour laquelle on donne encore parfois le nom de " hydrogène lourd " au deutérium. Il en est de même avec l'atome de tritium dont le noyau comporte deux neutrons pour un proton.
Cependant, certaines propriétés physiques du deutérium et du tritium sont tellement remarquables qu'on leur a attribué un symbole chimique spécial (D pour le deutérium et T pour le tritium) alors qu'il s'agit simplement d'hydrogène (H).

p+ + n°  fleche.gif (918 octets) D (ou encore 2H)

Puis, d'autres noyaux se forment également :

D + n°  fleche.gif (918 octets)  3H (ou T) + g + énergie
D + H fleche.gif (918 octets)   3He + g + énergie
D + T fleche.gif (918 octets)   4He + n° + énergie
.........

les particules g sont bien connues actuellement comme faisant partie de certains rayonnements radioactifs.

En construisant brique par brique, on a obtenu des atomes de plus en plus lourds. La chaîne de réactions pourrait théoriquement continuer jusqu'aux éléments lourds, mais l'expansion de l'univers interrompt le processus. Le temps que le deutérium et l'Hélium soient formés, l'univers s'est tellement dilué (à cause de l'expansion) que les particules ne se rencontrent plus : les réactions nucléaires ne se produisent plus.
Il s'est passé trois minutes depuis le Big Bang.
700.000 ans plus tard, la température n'est plus que de 3.000 K. Une nouvelle histoire peut alors commencer. Celle de la formation des étoiles.

 

Textes de travail.

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Les modèles scientifiques et la réalité.

Les concepts physiques sont des créations libres de l'esprit humain et ne sont pas, comme on pourrait le croire, uniquement déterminés par le monde extérieur. Dans l'effort que nous faisons pour comprendre le monde, nous ressemblons quelque peu à l'homme qui essaie de comprendre le mécanisme d'une montre fermée. Il voit le cadran et les aiguilles en mouvement, il entend le tic-tac, mais il n'a aucun moyen d'ouvrir le boîtier. S'il est ingénieux il pourra se former quelqu'image du mécanisme, qu'il rendra responsable de tout ce qu'il observe, mais il ne sera jamais sûr que son image soit la seule capable d'interpréter ses observations. Il ne sera jamais en état de comparer son image avec le mécanisme réel, et il ne peut même pas se représenter la possibilité ou la signification d'une telle comparaison. Mais le chercheur croit certainement qu'à mesure que ses connaissances s'accroîtront, son image de la réalité deviendra de plus en plus simple et expliquera des domaines de plus en plus étendus de ses impressions sensibles. Il pourra aussi croire à l'existence d'une limite idéale de la connaissance que l'esprit humain peut atteindre. Il pourra appeler cette limite idéale la vérité objective.

A. Einstein - L. Infeld
L'évolution des idées en physique
Flammarion, Paris, 1983.

Quel lien peux-tu établir entre ce texte et les idées développées par Platon dans le " mythe de la caverne "? (voir le chapitre 2)

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Einstein et Lemaître.

Publié dans une revue peu connue, l'article de Georges Lemaître passe relativement inaperçu. L'auteur se met alors en devoir d'attirer l'attention d'Einstein à ce sujet.
Lorsqu'a lieu le Cinquième Congrès Solvay de Physique, à Bruxelles, du 24 au 29 octobre 1927, Lemaître, qui bien sûr est présent à toutes les conférences, tente de dialoguer avec Einstein. La rencontre a lieu. Elle est brève et tendue. Lemaître interpelle Einstein à la sortie d'une conférence : " Monsieur Einstein, j'aimerais vous entretenir d'un sujet qui me préoccupe... " Einstein dévisage Lemaître : " J'ai lu votre article, Monsieur l'Abbé. À vrai dire... vos calculs sont corrects, mais votre physique est abominable ! " Lemaître reste bouche bée. Face au prix Nobel de physique, directeur de l'Institut de Physique Kaiser Wilhem et membre prébendé de l'Académie des Sciences de Prusse à Berlin, il se rappelle soudain qu'il n'est encore qu'un illustre inconnu, et qu'on ne prend pas au sérieux les prêtres qui prétendent faire de la science. Pourtant, l'abbé est certain que, tout prix Nobel qu'il soit, Albert Einstein se trompe... ou refuse de reconnaître son erreur !
Georges Lemaître cherche cependant à prolonger la conversation. Le professeur Auguste Piccard, qui accompagne Einstein, invite alors Lemaître à monter dans le taxi qui doit les conduire à son laboratoire, à l'Université Libre de Bruxelles. Lemaître accepte l'offre. Dans la voiture, il fait une brève allusion à la vitesse des nébuleuses, ce qui met le physicien allemand dans le plus grand embarras. Lemaître se tait. Un ange passe. Einstein semble ne pas être au courant des derniers faits astronomiques...
Pour dissiper le malaise, Piccard a vite fait de détourner la conversation pour la relancer... en allemand ! Lemaître, qui ne comprend pas un mot de la langue de Goethe, n'a plus d'alternative que celle du silence. Déçu, il observe les deux hommes, tandis que le taxi s'engage dans l'Avenue des Nations (l'actuelle avenue Roosevelt) et s'arrête devant le laboratoire du Professeur Piccard. Pensant malgré tout qu'il pourra discuter de manière plus constructive avec Einstein, Lemaître suit Piccard qui guide son hôte à travers le laboratoire. Malheureusement, au cours de cette visite très protocolaire, le savant germanique sera accaparé de toutes parts. Georges Lemaître n'aura qu'à suivre le cortège et se contenter d'admirer un interféromètre, puis de signer, après Einstein, dans le livre d'or de l'Université. Pour une première rencontre avec le penseur de la relativité, Lemaître est déçu. Il rentre chez lui en se disant qu'il est des jours où il vaut mieux ne pas sortir !
Cependant, Georges Lemaître n'est pas homme à se laisser longtemps décourager : il tient cela de son cher grand-père Édouard Sévère qui, de toutes les situations, se sortait toujours avec panache... Puisqu'il a échoué avec Einstein, il ira voir de Sitter !
Lorsqu'il se rend à la Troisième Assemblée Générale de l'Union Astronomique à Leiden, en juillet 1928, Lemaître a retrouvé toute sa confiance. Il sait, il sent qu'il est sur la bonne voie. Et pourtant, comme Einstein, de Sitter l'enverra sur les roses ! Car pourquoi l'illustre Président de l'Union Astronomique prendrait-il au sérieux un prêtre qui veut révolutionner le Monde ? Cette fois, Lemaître ressent un profond sentiment d'injustice, et même du dégoût devant une telle incompréhension. Il n'a d'ailleurs plus envie de se battre. La portée de son article s'évanouira dans l'oubli et le silence, jusqu'à ce que...
Retournement de situation
Le 10 janvier 1930, a lieu à Londres l'habituelle réunion de la Royal Astronomical Society, qui réunit les plus éminents savants du monde. Au cours de cette réunion, le Professeur de Sitter fait part à l'assemblée de ses scrupules à admettre que l'Univers soit statique... comme Einstein le prétend. En outre, il n'est pas non plus satisfait du modèle d'Univers que lui-même a proposé en réaction avec les propos d'Einstein. Eddington, présent à la réunion, concède à de Sitter qu'il se méfie lui aussi de cette interprétation et songe à reconsidérer le problème.
Le rapport de la réunion paraît, comme à l'accoutumée, dans la publication The Observatory et Lemaître, qui s'intéresse de près aux questions de cosmologie, découvre bien sûr l'article. Quelle n'est pas alors sa surprise lorsqu'il constate que les célèbres astronomes présents au congrès réfléchissent encore à un problème que lui-même a solutionné quelques années auparavant ! Car son article de 1927 constitue une alternative à cet univers statique, certes rassurant pou les esprits, mais peu en accord avec la vérité !
Surpris et même vexé, il faut le dire, Georges Lemaître écrit à Eddington pour lui rappeler le contenu de sa note de 1927 qui apporte, lui semble-t-il, une solution au problème. Or Eddington a justement chargé un de ses étudiants d'approfondir la question du décalage vers le rouge et se trouve tout à coup très embêté : il avait complètement oublié l'article de Lemaître ! En réalité, Eddington reconnaîtra que, pour le même genre de raisons qu'Einstein, l'idée d'un univers évolutif lui répugnait. Afin de réparer sa faute Eddington présente devant la Royal Astronomical Society, le 10 mai 1930, une conférence sur L'instabilité de l'Univers sphérique d'Einstein. Il y expose ceci : " Avec la collaboration de M.G.C. Mc Vittie, je me proposais il y a quelques mois d'examiner la question de savoir si l'Univers sphérique d'Einstein est stable. Avant que notre enquête soit achevée, nous avons été informés d'un article de l'Abbé G. Lemaître dans lequel il donne une réponse étonnamment complète aux diverses questions que posent les cosmogonies d'Einstein et de de Sitter. Bien que Lemaître n'en fasse pas mention explicite, il résulte immédiatement de ses formules que l'Univers d'Einstein est instable. " Cette propriété, primordiale à mon sens, n'a pas été appréciée à sa juste valeur jusqu'ici dans les discussions cosmogoniques. Les astronomes se doivent de prêter la plus grande attention à ces problèmes peu remarqués, compte tenu de ce qu'ils impliquent quant aux propriétés des nébuleuses spirales. Maintenant que mon espoir initial d'y apporter une contribution décidément originale a été devancé par la brillante solution de Lemaître, il ne me reste plus qu'à faire l'état de cette question dans la perspective de l'astronomie. "
pp. 53-55
[...]
Du phénomène d'expansion de l'Univers à celui d'origine de l'Univers, il n'y a qu'un pas. Lemaître le franchit avec légèreté qui stupéfie le monde scientifique. Le 9 mai 1931, paraît dans la revue scientifique anglaise Nature, un article de Georges Lemaître qui a pour titre The Beginning of the World from the Point of Vue of Quantum Theory. Les termes de cet exposé seront repris et développés plus tard dans un ouvrage intitulé L'hypothèse de l'atome primitif.
[...] si l'Univers est en expansion, il est logique que celle-ci ait commencé un jour. Donc, en projetant le film à l'envers, autrement dit en remontant le fil du temps, Lemaître conçoit un Univers de plus en plus compact, jusqu'à cet atome primitif, tellement dense qu'il va littéralement exploser ! C'est sous le coup de cette fantastique déflagration des origines qu'ont pu se former les galaxies, les planètes et, bien sûr, la Terre, poussière infime des fragments dispersés de l'atome initial.
Dans L'hypothèse de l'Atome Primitif, Lemaître compare l'évolution du monde " à un feu d'artifice qui vient de se terminer. Quelques mèches rouges, cendres et fumées. Debout sur une escarbille mieux refroidie, nous voyons s'éteindre doucement les soleils et cherchons à reconstituer l'éclat disparu de la formation des mondes. "

pp. 56-58
De Rath V.
Georges Lemaître, le Père du big bang
Labor, Bruxelles, 1994.

1. Quel est ici l'objectif de l'auteur de ce texte dans la présentation de Georges Lemaître ?
2. Dans quelle mesure l'auteur prétend-il mettre en évidence une erreur d'Einstein face à Lemaître ?
3. Pourquoi ce texte a-t-il été introduit dans ce cours ? Relis les objectifs du cours et principalement ce qui est annoncé dans le texte de travail intitulé " But du cours " du premier chapitre.
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Observation astronomique en infrarouge.

ISO observera l'invisible et promet de fructueuses découvertes
On se bouscule au portillon de l'ESA ! Depuis des mois, de (très) nombreux astronomes européens mais aussi étrangers (60.000 propositions d'observations en témoignent) se sont déjà fait connaître à l'Agence spatiale européenne, pour tenter de décrocher quelques heures d'observation avec Iso, le petit dernier des satellites scientifiques de l'agence.
Si le calendrier de lancement est respecté, ce sera en effet dans la nuit du 11 au 12 novembre qu'une fusée Ariane mettra sur orbite l'Infrared Space Observatory (Iso), le premier véritable observatoire spatial infrarouge à prendre le chemin de la proche banlieue terrestre. Un engin dont on attend de spectaculaires résultats astronomiques, au moins aussi importants et précieux que ceux livrés par le fameux télescope spatial Hubble. Ce qui explique l'engouement de la communauté scientifique pour ce nouvel outil.
Iso observera dans la lumière invisible et froide de l'infrarouge les planètes proches, les lointains quasars, la matière noire cosmique ainsi que de multiples galaxies. Bref, tout ce qui est actuellement inaccessible pour les astronomes terriens qui vont ainsi franchir une nouvelle étape.
Jusqu'ici en effet, l'observation infrarouge s'est heurtée à un double obstacle. Le premier tient tout d'abord à la nature même du rayonnement observé. Le rayonnement infrarouge est de nature thermique. Tout corps émet naturellement ce type de " chaleur rayonnante " ou chaleur obscure. Conséquence : aux longueurs d'ondes correspondantes, tous les télescopes et leurs détecteurs semblent briller, et nettement plus que les petites sources infrarouges perdues dans l'espace ! Difficile dès lors d'observer pareil rayonnement cosmique.
La solution élaborée à ce propos est simple. Plus un corps est froid, moins il " rayonne ". Pour Iso, le défi a avant tout résidé dans le développement des systèmes de réfrigération cryogéniques. C'est ce qui donne au satellite son aspect de bouteille thermos. Pour maintenir ses instruments à une température la plus basse possible, le nouvel observatoire spatial emporte dans ses soutes 2.100 litres d'hélium superfluide destiné à le refroidir à -271°C (1,8 degré absolu).
La seconde difficulté rencontrée pour ce type d'observation concerne l'atmosphère terrestre elle-même. Elle est quasiment opaque à la lumière infrarouge. D'où l'intérêt d'observer " en orbite " ce type de rayonnement et d'ainsi court-circuiter ce problème.
[...]
Parmi les cibles de prédilection d'Iso, on retrouve tout d'abord les planètes, les satellites, les astéroïdes et les comètes de notre système solaire. Un des principaux sujets sur lequel s'attardera l'oeil froid du satellite sera Titan, une des lunes de Saturne, qui doit recevoir la visite en 2004 de la sonde spatiale européenne " Huygens ".
Les astronomes soupçonnent l'atmosphère de cette gigantesque lune brumeuse d'être le siège de réactions chimiques organiques complexes... peut-être similaires à celles qui ont permis jadis l'émergence de la vie sur Terre.
Après s'être intéressé à notre système solaire, Iso se tournera alors vers la fameuse et mystérieuse matière noire de l'univers. Détectée par des méthodes indirectes, cette matière obscure, qui semble constituer plus de 90% de la masse de l'univers, a toujours refusé de se laisser observer en direct.
Sa composition et sa nature physique demeurent donc toujours des inconnues pour les scientifiques, qui aimeraient bien faire plus ample connaissance avec elle.
Enfin -et l'astronomie prend parfois des aspects de science-fiction-, parce qu'Iso capte les rayonnements des très grandes longueurs d'onde, il représente aussi une fantastique machine à remonter le temps... Grâce à sa grande sensibilité, Iso pourra observer des objets de plus en plus éloignés qui existaient à des périodes de plus en plus reculées et dont la lumière nous parvient décalée vers le rouge et l'infrarouge en raison de l'expansion de l'Univers. Un étrange retour aux sources en quelque sorte.

Du Brulle C.
Le Soir - Supplément Septième Soir
Samedi 4 novembre 1995 N° 257
Page 13


Dernière modification: 02/07/2006