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LUnivers. Les champs profonds de Hubble Champ dépourvu détoiles brillantes ~ 10 000 galaxies dans un champ de 36.7 minutes darc au carré + de 100 milliards.

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1 LUnivers

2 Les champs profonds de Hubble Champ dépourvu détoiles brillantes ~ galaxies dans un champ de 36.7 minutes darc au carré + de 100 milliards de galaxies dans lUnivers observable

3 Les galaxies ont tendance à se grouper en associations de tailles variables : groupes ou amas Amas important le plus proche : lamas de la Vierge contient ~ 2000 galaxies dont ~ 100 galaxies importantes les galaxies elliptiques sont plus nombreuses dans les amas les galaxies spirales sont plus nombreuses hors des amas Amas de galaxies

4 Lamas de la Vierge situé à ~ 18 Mpc

5 Lamas de la Coma situé à ~ 100 Mpc

6 Lamas Abell 1185 situé à ~ 400 Mpc

7 Grandes structures Distribution des galaxies à grande échelle Les amas de galaxies se regroupent en superamas « surfaces » irrégulières (walls) entourant des « bulles » presque vides (taille ~ 1 Mpc) La distance est déduite du décalage spectral vers le rouge

8 Contrairement aux étoiles (d (étoiles) ~ 10 7 R * ), les galaxies entrent souvent en collision : d (galaxies) ~ 10 à 100 R Gal Conséquences : Perturbations importantes des nuages de matière interstellaire formation détoiles Collision de 2 spirales finit par donner une elliptique Collisions de galaxies

9 M51, galaxie spirale en interaction avec NGC5195, un compagnon moins massif

10 Arp295, deux galaxies passées très près lune de lautre « queues de marées »

11 « Les antennes », deux galaxies en collision, intense formation détoiles et spectaculaires « queues de marées »

12 AM , avec anneau de diamètre ~ AL, siège de formation intense détoiles (résultat de collision « frontale »)

13 La Roue de Chariot

14 La galaxie de lanneau

15 Collisions de Galaxies

16 NGC2207 et IC2163 Collisions de Galaxies

17 NGC2207 Collisions de Galaxies

18 NGC 3314 Collisions de Galaxies

19 Le centre de certaines galaxies est extrêmement lumineux, on parle de Noyau Actif de Galaxie (AGN) Cas particulier: Les Quasars La brillance du noyau et la distance masquent la galaxie hôte, ponctuels sauf à haute résolution. Galaxies actives et quasars ~ quasars connus Entre 800 millions et 13 milliards dAL : Objets les plus éloignés de lunivers ! Age de lunivers ~ 13 milliards dannées On regarde dans le passé ! Puissance rayonnée : ~ W ~ L ¯ ! NGC1097 (VLT)

20 Galaxies actives et quasars Trou noir supermassif (~ 10 6 à 10 9 M ¯ ) accrétant de la matière Consommation : ~ 10 – 100 M ¯ / an Les différents types dAGN sont le même phénomène vu selon des angles différents Les AGN sallument et séteignent selon la matière disponible

21 Mirages gravitationnels Notre cerveau interprète la vision comme si la lumière se déplaçait en ligne droite, mais ce nest pas toujours le cas … Variation de lindice de réfraction de lair mirages atmosphériques. Relativité générale courbure de lespace-temps les rayons lumineux sont déviés par une masse importante : galaxie, amas de galaxies, … mirage gravitationnel Lobjet qui dévie la lumière est appelé lentille gravitationnelle. Effet de déformation et amplification

22 Mirages gravitationnels Relativité générale courbure de lespace-temps les rayons lumineux sont déviés par une masse importante : galaxie, amas de galaxies, … mirage gravitationnel En fonction de la taille de la source, la distribution de masse dans la lentille et de lalignement source – lentille – observateur, on peut observer : - Images doubles, quadruples, - arcs, anneau (sources étendues)

23 Si source – lentille – observateurs alignés + lentille symétrique image en forme danneau = anneau dEinstein de rayon angulaire : LS = distance (lentille – source) OS = distance (observateur – source) OL = distance (observateur – lentille) SDSS J (HST) Mirages gravitationnels Si on connaît les distances, on en déduit la masse de la lentille. Autre moyen de mettre en évidence la présence de matière sombre.

24 La loi de Hubble 1929 : Les galaxies extérieures suffisamment lointaines séloignent de nous avec une vitesse proportionnelle à leur distance : Edwin Hubble d : mesuré par étalons de distance (céphéides, supernovae, …) V : mesuré par effet Doppler : z = redshift H 0 = Constante de Hubble ~ km/s/Mpc Lexpansion de lUnivers V = H 0 d

25 Relativité générale : Lexpansion de lUnivers Le Principe Cosmologique : A grande échelle, lunivers est homogène et isotrope, même physique Il suffit dobserver notre voisinage pour étudier lunivers dans son ensemble Cosmologie Newtonienne (univers sans pression) Position des particules de lunivers % part. de référence : Energie dune coquille sphérique de rayon r : Expansion homothétique Vitesse dexpansion : Si E > 0 : Expansion infinie (modèle hyperbolique) Si E < 0 : Expansion finie puis contraction (Big Crunch)

26 Modèles dUnivers de Friedmann-Lemaître La constante cosmologique introduit une énergie additionnelle de lunivers qui engendre une force répulsive à grande échelle qui tend à sopposer à la gravitation La constante cosmologique a été introduite par Einstein pour obtenir une solution statique comme modèle dunivers

27 Relativité générale : Lexpansion de lUnivers Cosmologie Newtonienne (univers sans pression) Si E > 0 : Expansion infinie (modèle hyperbolique) Si E < 0 : Expansion finie puis contraction (Big Crunch) On définit le paramètre de densité : Si 0 0 : Expansion infinie, modèle hyperbolique Si 0 = 1, E = 0 : Expansion infinie, V 1 = 0, modèle parabolique Si 0 > 1, E < 0 : Expansion finie jusquà ce que : puis contraction (Big Crunch)

28 Modèles dUnivers = + M = 1 si univers plat = constante cosmologique M = paramètre de densité de masse de lunivers 0 = valeur actuelle de M Le paramètre de densité de masse est le rapport de la densité de masse de lunivers à la densité critique au-delà de laquelle, sans constante cosmologique, lexpansion de lunvers sarrêterait et serait suivie dune contraction. La constante cosmologique introduit une énergie additionnelle de lunivers qui engendre une force répulsive à grand échelle qui tend à sopposer à la gravitation Cosmologie Relativiste Même critère, mais en plus courbure de lespace associée Expansion finie puis contraction, modèle elliptique, courbure positive, taille finie mais sans limite Expansion infinie, modèle hyperbolique, courbure négative, taille infinie Expansion infinie, univers plat, modèle parabolique, taille infinie

29 Constante cosmologique – Energie du vide La constante cosmologique introduit une énergie additionnelle de lunivers qui engendre une force répulsive à grande échelle qui tend à sopposer à la gravitation et permet une expansion accélérée. La constante cosmologique a été introduite par Einstein pour obtenir une solution statique comme modèle dunivers. Univers statique dEinstein - de Sitter, équilibre des forces : (la plus grande erreur de sa vie …) Lobservation de supernovae très éloignées indique que lexpansion de lunivers est actuellement accélérée ! La réintroduction de la constante cosmologique est nécessaire pour en rendre compte. Force de répulsion : (par unité de masse) Notre univers actuel semble plat :

30 Mesures actuelles (W MAP ) : Energie du vide Energie du vide : ~ 73 % Matière : ~ 27 % Matière visible : ~ 1 % Matière sombre baryonique : ~ 5 % non-baryonique : ~ 21 % On ne connaît pas grand-chose … Constante cosmologique – Energie du vide

31 Notre univers actuel semble plat : Energie du vide Grâce à lénergie du vide, lexpansion peut être accélérée. Constante cosmologique – Energie du vide

32 Univers en expansion si on remonte dans le temps, on arrive à un état où ρ, volume nul (atome primitif). Commencement de lUnivers, de lespace-temps, « explosion » primordiale, cest le Big Bang. Georges Lemaître Le Big Bang Arguments en faveur du Big Bang : - Expansion de lunivers - Le rayonnement de fond à 2.7 K - Nucléosynthèse primordiale (X H ~ 0.75, X He ~ 0.25)

33 Le rayonnement de fond cosmologique Découvert en 1964 (Penzias et Wilson) Rayonnement radio (micro-ondes) isotrope, corps noir à T= K Rayonnement résiduel des premiers temps de lUnivers : Le Big Bang Spectre du CMB (COBE) 1) Tant que T > 3000 K, la matière est ionisée et très dense elle est pratiquement opaque corps noir. 2) Lorsque T < 3000 K, les électrons et protons se combinent pour former des atomes dhydrogène. la matière devient transparente découplage photons-matière croît à cause de lexpansion de lunivers 0 /λ déc ~ 1000 T 0 ~T déc / 1000 ~ 3 K

34 Le rayonnement de fond cosmologique vu par WMAP (en attendant PLANCK) Mesures de fluctuations de température de lordre de K Lanalyse et interprétation de ces résultats permet de déduire :

35 Les étapes du Big Bang Le Big Bang Relativité généralePhysique quantique Gravité quantique Longueur de Planck : 1)t ~ 5.39 £ s = = temps de Planck : Unification de toutes les interactions, gravité quantique = Taille de lhorizon causal primordial Masse de Planck : = Masse minimale des trous noirs quantiques primordiaux Température de Planck :

36 Les étapes du Big Bang Le Big Bang 2) t = s : Brisure de symétrie : interaction forte – faible 3) t = s : T = K ; ρ = kg/m 3 Émergence dune « soupe » de quarks, électrons, photons, neutrinos Inflation : expansion très rapiderend lespace plat et isotrope. Lénergie du vide en est le moteur, expansion exponentielle 4) t = s : Brisure de symétrie interaction faible - électromagnétique 5) t = 10 4 s ; T = K ; ρ = kg/m 3 Les quarks se combinent en nucléons : protons et neutrons Entre t = s et t = s, taille £ !!

37 Les étapes du Big Bang Le Big Bang 6) t = 100 s ; T = 10 9 K ; ρ = 10 5 kg/m 3 Nucléosynthèse de lHélium, réactions à léquilibre thermodynamique chaîne pp proportion 1 He – 3 H (en accord avec les obs.) 7) t = 3.8 £ 10 5 ans ; T = 3000 K Combinaison électrons – noyaux, découplage matière rayonnement Rayonnement de fond cosmologique

38 Lâge de lUnivers Lâge de lUnivers peut être calculé à partir de H 0, Ω 0 et Λ 0 H 0 Ω m0 Âge (10 9 ans) Lâge des plus vieilles étoiles de notre Galaxie (amas globulaires) est estimé à 13 milliards dannées Tout modèle cosmologique prédisant un âge de lUnivers < 13 × 10 9 ans est en conflit avec les modèles dévolution stellaire cest tout juste pour le « nouveau modèle standard » (H 0 = 72, Ω 0 = 0.3, Λ 0 = 0.7)

39 Notre univers actuel semble plat : Energie du vide Grâce à lénergie du vide, lexpansion peut être accélérée. Constante cosmologique – Energie du vide

40 LE MODELE STANDARD Repose sur 3 piliers observationnels: 1.Lexpansion de lUnivers (fuite des galaxies) 2.Le rayonnement cosmologique fossile (T=3°K) 3.Labondance des premiers éléments du tableau de Mendeleïev Qui sappuient sur : Une théorie, la Relativité Générale Le Principe Cosmologique = univers homogène et isotrope


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