Cosmologie

Cosmologie
L’étude de l’univers - structure, taille, caractéristiques
Cosmologie moderne
“Moderne” - Isaac Newton
Gravité - une façon de décrire
l’univers basée sur la physique
Vue de Newton sur l’univers
Infini
Statique - immobile
Pourquoi?
Statique - pas de mouvements observés à grande échelle
Infini - nécessité d’équilibre de masse de toute la matière
Un univers fini a une fin!
Le materiel près de cette limite est attiré vers le centre par la
force d’attraction due à la gravité et se déplace donc.
Pas de mouvement observé donc pas de limite et donc infini
Problèmes avec un univers infini:
Paradoxe d’Olbers - “Pourquoi la nuit est-elle si sombre dans un
univers infini?
Un univers infini, un nombre infini d’étoiles, lumière stellaire
infinie, le ciel devrait briller de millions de feux!
Solution - il n’est pas infininement vieux.
On ne peut pas tout voir, seulement ce qui est proche.
Définitions modernes
Homogénéité - materiel uniformément réparti
Faux à petites échelles mais vrai à grande échelle
Isotropie - aspect identique pour tous les observateurs
Homogénéité + Isotropie = Principe cosmologique
Une autre règle (on l’espère vraie)
Universalité - les lois de la physique s’appliquent partout
Les modèles d’univers essaient de produire un univers qui
obeit au Principe Cosmologique et à l’Universalité
L’univers que nous observons est en expansion uniforme
Pourquoi de façon uniforme?
S’il n’en était pas ainsi, alors la loi de Hubble serait plus complexe
Loi de Hubble v= Ho d
Les objets lointains s’éloignent plus vite de nous
Nous sommes au centre de l’univers!!!!
Et bien non!
Il n’y a pas un centre unique de l’univers.
Chaque point dans l’univers est le centre de l’univers.
Comment l’univers est il en expansion?
Est il en expansion dans quelque chose?
Y aura-t-il plus de parking dans le futur?
Retournons à la relativité générale …..
Courbure de lespace
Relativité générale - l’espace est distordu par la masse
L’espace (Univers) est en cours de d’extension par l’expansion
Comment?
Cela dépend de la courbure del’Univers.
3 types simples de courbure - 2-D analogues
Plat - pas de courbure - ennuyeux
Courbure positive - une sphère
Courbure négative - selle,
Chips Pringles
Quelle sorte de courbure possède l’univers?
Nous verrons plus tard…
Que pensait Einstein de lunivers?
Qu’il était homogène et isotrope (Principe Cosmologique)
Qu’il n’y avait pas de mouvement organisé (before Hubble)
Ses formules “disent” qu’il y a probablement des mouvements!
Il “a établi” ses formules
Il a inséré un terme anti-gravité, L = constante cosmologique
Plus tard, il appris que l’univers est en expansion.
Zut, il n’avait pas besoin du terme L.
A-t-on encore besoin de la constante cosmologique?
Nous verrons plus tard….
Si l’univers est en expansion, il a dû être plus petit dans le passé
On peut remonter jusqu’au début de l’univers, jusqu’au
BIG BANG!
La cosmogonie - l’origine de l’univers.
La théorie actuelle - la théorie du Big Bang
Alexandr
Friedman
Abbe George
LeMaitre
Avant le Big Bang?
Pas de temps
Pas d’espace
Peut-on même le définir?
Temps = 0
Supergravité
C’est tout ce que l’on peut dire
Temps =
-43
10
seconds
0.0000000000000000000000000000000000000000001
Ere Planck
Période la plus précoce que l’on peut décrire
Deux forces existent - Gravité & GUT
GUT = Grand Unified Theory
Temps =
-35
10
Seconds
Fin de la GUT
3 forces existent - gravité, inter. nucl. forte & electrost. faible
Création de particules élémentaires -
quarks (proton, neutron)
leptons (electrons, neutrinos)
Comment la matière est-elle créée?
E=mc2
Leger déséquilibre entre matière et antimatière
Temps
-35
=10
to
-33
10
seconde
Dilatation
La taille de l’univers augmente trés rapidement
Pourquoi?
L’énergie de l’ére précédente
Jusqu’à quelle taille croît l’univers?
Elle a crû d’un facteur 1030 à 1040
La dilatation explique la nature uniforme de l’univers
Temps =
-12
10
seconde
Fin des forces unifiées
4 forces dans la nature - les mêmes qu’aujourd’hui
Gravité
Interaction nucléaire forte
Interaction nucléaire faible
Force électro-magnétique
Début de la production de quelques éléments (protons, électrons)
Temps =
-7
10
seconde
Ere des particules lourdes
Production de particules “massives” - Protons, neutrons
Temps =
-4
10
seconde
Ere des particules légères
Production de “petites” particules - électrons
Temps = jusqu’à 3 minutes
Ere de la nucléosynthèse
Température = 109 K
Hydrogène (protons)
fusionnent en noyaux
d’Helium
Résultat final = composition de
75% H
25% He
Temps = 380,000 ans
Recombinaison (Découplage)
Temperature = 3000 K
La domination de l’univers par la radiation s’achève
et celle de la matière commence (gravité)
Temps = 500 millions d’années
Formation des Galaxies - galaxies ou amas: qui est apparu en premier?
Théorie du haut en bas - grande structure d’abord, petite galaxie
ensuite
Théorie du bas en haut - d’abord les galaxies, ensuite les grands
amas
Lequel est le plus probable?
Depend de la forme de la matière sombre.
matière sombre “chaude” - mouvement rapide - facilite la
construction de grandes structures
matière sombre “froide” - lente - construit de petites structures
Now
Le Big Bang est-il une théorie correcte?
Qu’est ce qui fait qu’une théorie est correcte?
Qu’est ce qui fait qu’une théorie est incorrecte?
Peut-on “prouver” qu’une théorie est correcte?
Une théorie peut être soutenue -
qu’est ce qui soutient la théorie du Big Bang?
Y-a-t-il des soutiens?
Retournons à 1965
Recherche par les physiciens Robert Dicke et P. J. E. Peebles de
la radiation résiduelle du Big Bang - mais comment la trouver?
Robert Wilson, Arno Penzias recherchent
la radiation dans toutes les directions.
Quelle forme a-t-elle?
Ils ne savaient pas mais ils ont trouvé la radiation!
Radiation cosmique du fond du
ciel
Radiation cosmique micro-onde
Radiation 3 K
Radiation cosmique
C’est la radiation résiduelle du BB.
Elle a la bonne temperature (autour de 3 K)
Mesurée dans toutes les directions
Très régulière
Trop régulière - c’est un problème
L’univers n’est pas régulier (il possède de larges structures)
Ainsi la radiation ne devrait pas être régulière
Satellite COBE
Cosmic Background Explorer - Lancé 1989
Janvier 1990 - premiers résultats présentés
Température mesurée précisément (2.735 K)
Energie émise est exactement celle d’un corps noir parfait!
Mesures continuent avec les missions BOOMERanG & WMAP
La matière froide sombre est favorisée
Destin de l’univers
L’univers est en expansion - Qu’est ce qui pourrait la freiner?
La gravité!
Combien en faut-il??
Beaucoup!
Y-en-a-il assez?
Besoin de mesurer la densité de l’univers
La densité critique - densité nécessaire pour arrêter l’expansion
Destins “simples” possibles
Densité
Type d’univers
Courbure
Destin
<Critique
Ouvert
Négative
Expansion continue
>Critique
Fermé
Positive
Effondrement
=Critique
Légérement ouvert
Plat
Expansion freinée
Lequel est le bon?
Comment peut-on le dire?
Regarder comment l’expansion change avec le temps (à grandes dist.)
C’est exactement ce qu’on fait les astronomes - qu’ont-ils appris?
Que fait l’univers?
1997 - Etudes indépendantes de l’expansion del’univers
Recherche du taux de ralentissement de l’univers
Au lieu de cela, découverte que l’univers accélère.
Comment est-ce possible?
L’univers accélère!!!!
F=ma
Quelle en est la raison?
L - La Constante Cosmologique
L’erreur d’Einstein - l’inclusion d’un terme “anti-gravité”, L
Il semble bien qu’il existe réellement…..
Comment?
La densité en énergie du vide - l’espace lui-même contient de
l’énergie - elle dirige l’expansion
Plus d’espace signifie plus d’accélération
Pas encore très sûr de ce qu’est la densité en énergie du vide....
Ainsi, pas de chance pour l’univers de se recontracter, malgré la
question de sa densité.
Mission WMAP
Mesurer le degré de rugosité de la radiation du fond du ciel
Résultas de WMAP (Février 2003)
L’universe semble être plat et en accélération
La matière sombre froide est favorisée
Age de l’univers = 13.7 ± 0.2 milliards d’années
Constante de Hubble = 71 ± 4 km/s/Mpc
L = 73% de l’univers (quantité de “Vacuum energy density”)
Matière = 27% de l’univers - l’essentiel étant de la matière sombre
seulement 4% de l’univers est fait de matière “normale”
Est ce la réponse fibale?
Non, loin de là…...