1 La cosmologie Master Classes CP3 2014 Sandrine SCHLÖGEL (UNamur-UCLouvain) 2 Les échelles de grandeur Electromagnétisme Interactions nucléaires 3 Le principe cosmologique 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 ! 5 Arpentage de l’Univers (1) : Mesure des distances •Chandelles cosmiques : les céphéides (Leavitt, 1912) •Puissance émise connue •Puissance reçue mesurée Mesure de la distance ! 6 Arpentage de l’Univers (2) : Mesure de la vitesse •Effet Doppler •Raies d’émissions des éléments chimiques 7 Loi de Hubble v = H0d ® H 0 = 73,8 ± 2, 4 km/s/Mpc en 2011 •1920 : Hubble •Relation linéaire vitesse/distance •Conclusion : première preuve d’un Univers en expansion ! 8 Expansion de l’Univers d(t0)=d0 d(t)=d0a(t) Expansion de l’Univers 10 Evolution de l’Univers… Evolution du facteur d’échelle en fonction du temps Univers ouvert Univers plat Big Bang Univers fermé Big Crunch ...liée au contenu en matière/énergie 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 ? 12 Remonter le temps à l'échelle cosmologique Une histoire à découvrir ! Modèle du Big Bang chaud Temps Distances/Surfaces/Volumes Température Energie 13 14 Les échelles de grandeur Electromagnétisme Interactions nucléaires 15 Les structures à grande échelle •Qu'observons-nous dans l'Univers ? •Apparition de ces structures ? •Ère de matière, œuvre de la gravitation Mission spatiale Euclid, 2020 16 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 ? 17 Le rayonnement fossile •Plasma primordial •Energie d’ionisation de l’H : 13,6 eV e + p « H +g - + e + p ® H +g - + 18 Le rayonnement fossile •Prévision du modèle du Big Bang chaud •Première détection en 1965 par Penzias et Wilson (Prix Nobel 1978) 3K 19 Le rayonnement fossile •Rayonnement isotrope •Effet Doppler •Plan galactique...et anisotropies très faibles 20 Planck 2013 Age de l’Univers: 13,8 milliards d’années Espace (très) plat Matière ordinaire: 4,9% Matière sombre: 26,8% Énergie sombre: 68,3% 21 La nucleosynthèse primordiale •Nucleosynthèse primordiale et stelllaire •Création des premiers noyaux •Pourquoi après 3 min ? 22 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 23 Histoire de l’Univers Ere de Planck Ere de Grande (T>1032K) Unification (T>1028K) 24 Succès du Big Bang chaud •Expansion cosmologique •Abondance des éléments légers et nucléosynthèse primordiale •Existence et physique du rayonnement fossile 25 Matière sombre, énergie sombre et inflation cosmologique Le côté obscur de la cosmologie 26 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 ? La matière sombre 27 L’énergie sombre (Prix Nobel 2011) Chandelles cosmiques = supernovae Diagramme de Hubble 28 Seul 4% des constituants de l’Univers sont connus ! 29 L’inflation primordiale • 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 30 L’inflation primordiale • Phase d’expansion accélérée • Explique : - l’homogénéité - la plattitude 31 L’inflation primordiale • Etude de la polarisation du rayonnement fossile • Expérience BICEP2 en Antarctique • Résultats : détection d’ondes gravitationnelles primordiales ! 33 En conclusion… 34 •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 35 •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 ? 36 Merci à André Füzfa pour les illustrations de l’exposition Univers Face A Face B !