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La cosmologie

Master Classes CP3 2013

Sandrine SCHLÖGEL (UNamur-UCLouvain)

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Les échelles de grandeur Electromagnétisme

Interactions nucléaires

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Le principe cosmologique

A grande échelle (1024 m), l’Univers est homogène et isotrope.

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Expansion de l’Univers

• Relativité générale• Principe cosmologique• 1927 : Georges Lemaître

Expansion de l’Univers

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Géométrie de l’Univers

Univers fermé Univers ouvert

Univers plat

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Expansion et géométrie de l’Univers

d(t0)=d0

d(t)=d0a(t)

Big Bang

Big Crunch

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Arpentage de l’Univers (1) : Mesure des distances

• Chandelles cosmiques : les céphéides• Puissance émise connue• Puissance reçue mesurée

Mesure de la distance !

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Arpentage de l’Univers (2) :Mesure de la vitesse

• Effet Doppler• Raies d’émissions des éléments chimiques

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Expansion de l’Univers

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Loi de Hubble

• 1920 : Hubble• Relation linéaire vitesse/distance• Conclusion : première preuve d’un Univers en

expansion !

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Modèle du Big Bang chaud

Temps

Distances/Surfaces/Volumes

Température

Energie

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L’UNIVERS A UNE HISTOIREL’Univers primordial, la nucleosynthèse et le rayonnement fossile

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Histoire de l’Univers

Ere de Planck(T>1032K)

Ere de Grande Unification(T>1028K)

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La nucleosynthèse primordiale

• Nucleosynthèse primordiale et stelllaire• Création des premiers noyaux• Pourquoi après 3 min ?• Prédiction du modèle du Big Bang : proportion

d’éléments chimiques légers• 1 atome d’He pour 12 d’H

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La nucleosynthèse primordiale

• Nucleosynthèse primordiale et stelllaire• Création des premiers noyaux• Pourquoi après 3 min ?

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Histoire de l’Univers

Ere de Planck(T>1032K)

Ere de Grande Unification(T>1028K)

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Le rayonnement fossile• Prévision du modèle du Big Bang chaud• Première détection en 1965 par Penzias et

Wilson (Prix Nobel 1978)

3K

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Le rayonnement fossile• Plasma primordial• Energie d’ionisation de l’H : 13,6 eV

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Age de l’Univers: 13,7 milliards d’annéesEspace (très) platMatière ordinaire: 4%

Matière sombre: 20%Energie sombre: 74%

WMAP 2003-2009

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Planck

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Histoire de l’Univers

Ere de Planck(T>1032K)

Ere de Grande Unification(T>1028K)

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Succès du Big Bang chaud

• Récession des galaxies et expansion cosmologique

• Abondance des éléments légers et nucleosynthèse primordiale

• Existence et physique du rayonnement fossile

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LE CÔTÉ OBSCUR DE LA COSMOLOGIE

Matière sombre, énergie sombre et inflation cosmologique

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La matière sombre

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La matière sombre• Galaxies tournent trop vite sur elles-mêmes (Zwicky

en 1930)• Gravitation maintient la galaxie• Mesure de la distribution de matière : – Mesure directe– Mesure de la vitesse des objets et déduire la masse qui les

fait tourner• Conclusion : les mesures ne concordent pas• Hypothèse : matière qui n’interagit pas avec la

lumière• Nature de la matière sombre ?

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L’énergie sombre (Prix Nobel 2011)

Diagramme de Hubble

Chandelles cosmiques = supernovae

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Seul 4% des constituants de l’Univers sont connus !

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• La cosmologie, une science de précision• L’Univers est en expansion• L’Univers a une histoire :– La nucleosynthèse primordiale– Le rayonnement fossile– L’expansion accélérée actuelle

• Seulement 4% de matière ordinaire

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• De nombreuses questions :– qu’est-ce que la matière noire ?

nouvelle(s) particule(s) ? Gravitation modifiée ?– qu’est-ce que l’énergie noire ?

énergie du vide ? Nouvelle physique ?– pourquoi l’Univers est-il plat ?– Inflation et Univers primordial

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Merci à André Füzfa pour les illustrations

de l’exposition Univers Face A Face B !