La cosmologie

Master Classes CP3 2014

Sandrine SCHLÖGEL (UNamur-UCLouvain)

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Les échelles de grandeur 2

Electromagnétisme

Interactions nucléaires

Le principe cosmologique3

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

Quelques éléments de la cosmologie moderne

• Une théorie : la relativité générale Lois de la physique indépendantes du référentiel,

y compris dans un champ gravitationnel Implémente le principe cosmologique

• Première question : Univers statique (Einstein)? En expansion (Lemaître, 1927) ?

• Observations nécessaires !

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

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•Chandelles cosmiques : les céphéides (Leavitt, 1912)•Puissance émise connue•Puissance reçue mesurée

Mesure de la distance !

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

•Effet Doppler•Raies d’émissions des éléments chimiques

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Loi de Hubble7

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

Expansion de l’Univers8

d(t0)=d0

d(t)=d0a(t)

Expansion de l’Univers

Evolution de l’Univers…10

Univers fermé

Univers ouvert

Univers plat

...liée au contenu en matière/énergie

Big Bang

Big Crunch

Evolution du facteur d’échelle en fonction du temps

3 grandes questions

1. Pourquoi l'Univers est-il si homogène et isotrope ?

2. Contenu en matière et énergie ?

3. Géométrie et destin de l'Univers ?

Une histoire à découvrir !Remonter le temps à l'échelle cosmologique

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Modèle du Big Bang chaud

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Temps

Distances/Surfaces/Volumes

Température

Energie

Les échelles de grandeur 14

Electromagnétisme

Interactions nucléaires

Les structures à grande échelle•Qu'observons-nous dans l'Univers ?•Apparition de ces structures ?•Ère de matière, œuvre de la gravitation

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Mission spatiale Euclid, 2020

Le rayonnement fossile : introduction

•A l'échelle des particules et des atomes :- Diversité d'atomes complexes (C, O, N, ..., Fe,…,U) créés dans les étoiles Nucléosynthèse stellaire

- Atomes qui existaient avant la naissance des premières étoiles : H à environ 80%, He, Li

Question : Si la température augmente, que devient l’H ?

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

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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)

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3K

Le rayonnement fossile

•Rayonnement isotrope

•Effet Doppler

•Plan galactique...et anisotropies très faibles

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20

Age de l’Univers: 13,8 milliards d’annéesEspace (très) platMatière ordinaire: 4,9%

Matière sombre: 26,8%Énergie sombre: 68,3%

Planck 2013

La nucleosynthèse primordiale

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

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La nucléosynthèse primordiale

•Si T augmente, les noyaux ne sont plus stables•Création des noyaux d'H et d'He ?•Nucléosynthèse primordiale•Prédiction de la cosmologie moderne : proportion d’éléments chimiques légers•1 atome d’He pour 12 d’H

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Histoire de l’Univers23

Ere de Planck(T>1032K)

Ere de Grande Unification(T>1028K)

Succès du Big Bang chaud

•Expansion cosmologique

•Abondance des éléments légers et nucléosynthèse primordiale

•Existence et physique du rayonnement fossile

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Le côté obscur de la cosmologieMatière sombre, énergie sombre et inflation cosmologique

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Les questions•Qu'est-ce que la matière noire ?

- Formation des structures à grande échelle- Rayonnement fossile

•Qu'est-ce que l'énergie noire ?- Rayonnement fossile

•Homogénéité de l'Univers à grande échelle- Structures à grande échelle- Rayonnement fossile

•Univers (très) plat ?

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La matière sombre

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L’énergie sombre (Prix Nobel 2011)

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Diagramme de Hubble

Chandelles cosmiques = supernovae

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

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L’inflation primordiale

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• Comment expliquer l’homogénéité de l’Univers ?– Uniformité de la T du rayonnement fossile– Communication = échange de lumière– Vitesse finie de la lumière et âge de l’Univers

L’inflation primordiale

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• Phase d’expansion accélérée• Explique :

- l’homogénéité- la plattitude

L’inflation primordiale• Etude de la polarisation du rayonnement fossile• Expérience BICEP2 en Antarctique• Résultats : détection d’ondes gravitationnelles primordiales !

En conclusion…

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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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•Encore 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 ? Gravitation modifiée ? Nouveau composant ?

- Univers primordial : Modèle d’inflation ? Théorie quantique de la gravitation ?

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Merci à André Füzfa pour les illustrations

de l’exposition Univers Face A Face B !

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