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La cosmologie
Master Classes CP3 2014
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.
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 !
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Arpentage de l’Univers (1) :
Mesure des distances
•Chandelles cosmiques : les céphéides (Leavitt,
1912)
•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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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 !
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Expansion de l’Univers
d(t0)=d0
d(t)=d0a(t)
Expansion de l’Univers
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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 ?
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Remonter le temps à l'échelle cosmologique
Une histoire à découvrir !
Modèle du Big Bang chaud
Temps
Distances/Surfaces/Volumes
Température
Energie
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Les échelles de grandeur
Electromagnétisme
Interactions
nucléaires
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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
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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
e + p « H +g
-
+
e + p ® H +g
-
+
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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
•Rayonnement
isotrope
•Effet Doppler
•Plan galactique...et
anisotropies très
faibles
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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%
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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’Univers
Ere de Planck Ere de Grande
(T>1032K)
Unification
(T>1028K)
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Succès du Big Bang chaud
•Expansion cosmologique
•Abondance des éléments légers et
nucléosynthèse primordiale
•Existence et physique du rayonnement fossile
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Matière sombre, énergie sombre et inflation cosmologique
Le côté obscur de la cosmologie
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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 ?
La matière sombre
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L’énergie sombre (Prix Nobel 2011)
Chandelles cosmiques = supernovae
Diagramme
de Hubble
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Seul 4% des constituants de l’Univers
sont connus !
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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
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L’inflation primordiale
• Phase d’expansion accélérée
• Explique :
- l’homogénéité
- la plattitude
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L’inflation primordiale
• Etude de la polarisation du rayonnement fossile
• Expérience BICEP2 en Antarctique
• Résultats : détection d’ondes gravitationnelles
primordiales !
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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 !