Master Classes CP3 2013 Sandrine SCHLÖGEL (UNamur-UCLouvain) La cosmologie Master Classes CP3 2013 Sandrine SCHLÖGEL (UNamur-UCLouvain)

Les échelles de grandeur Electromagnétisme Interactions nucléaires

Le principe cosmologique Effet de perspective, ct s’y retrouver… + universalité des lois de la physique et pas de place privilégiée dans l’Univers A grande échelle (1024 m), l’Univers est homogène et isotrope.

Expansion de l’Univers Relativité générale Principe cosmologique 1927 : Georges Lemaître  Expansion de l’Univers Les galaxies ne grossissent pas… Isolée de l’expansion à cause de la gravitation

Géométrie de l’Univers Univers plat Univers fermé Univers ouvert

Expansion et géométrie de l’Univers d(t0)=d0 Big Crunch d(t)=d0a(t) Au Big Bang, Univers infiniment dense et chaud (singularité => difficulté de la théorie !) ; ajustement des variables initiales (courbure varie d’un millionière !) Big Bang

Arpentage de l’Univers (1) : Mesure des distances Chandelles cosmiques : les céphéides 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

Expansion de l’Univers

Loi de Hubble 1920 : Hubble Relation linéaire vitesse/distance Au départ, cste de Hubble sur-évaluée -> âge de l’Univers bcp plus pt…plus pt que l’âge de la Terre 1920 : Hubble Relation linéaire vitesse/distance Conclusion : première preuve d’un Univers en expansion !

Modèle du Big Bang chaud Temps Distances/Surfaces/Volumes Température Energie

L’univers a une histoire L’Univers primordial, la nucleosynthèse et le rayonnement fossile L’univers a une histoire

Ere de Grande Unification Histoire de l’Univers Ere de Planck (T>1032K) Ere de Grande Unification (T>1028K)

La nucleosynthèse primordiale Nucleosynthèse primordiale et stelllaire Création des premiers noyaux Pourquoi après 3 min ? Prédiction du modèle du Big Bang : proportion d’éléments chimiques légers 1 atome d’He pour 12 d’H Suffisamment chaud pour que les réactions nucléaires se déclenchent et suffisamment froid pour que les neutrons et les protons se collent

La nucleosynthèse primordiale Nucleosynthèse primordiale et stelllaire Création des premiers noyaux Pourquoi après 3 min ? Li, He et H =99,9% des atomes présents dans l’Univers

Ere de Grande Unification Histoire de l’Univers Ere de Planck (T>1032K) Ere de Grande Unification (T>1028K)

Le rayonnement fossile Prévision du modèle du Big Bang chaud Première détection en 1965 par Penzias et Wilson (Prix Nobel 1978) 3K Prévision du Big Bang : si l’Univers a une T très gde ds le passé, il refroidit –(> émission d’une relique sous forme de rayonnement du corps noir)

Le rayonnement fossile Plasma primordial Energie d’ionisation de l’H : 13,6 eV Première lumière qui s’échappe du plasma à gde distance.

WMAP 2003-2009 Age de l’Univers: 13,7 milliards d’années Espace (très) plat Matière ordinaire: 4% Matière sombre: 20% Energie sombre: 74%

Planck

Ere de Grande Unification Histoire de l’Univers Ere de Planck (T>1032K) Ere de Grande Unification (T>1028K)

Succès du Big Bang chaud Récession des galaxies et expansion cosmologique Abondance des éléments légers et nucleosynthèse primordiale Existence et physique du rayonnement fossile

Le côté obscur de la cosmologie Matière sombre, énergie sombre et inflation cosmologique Le côté obscur de la cosmologie

La matière sombre

La matière sombre Galaxies tournent trop vite sur elles-mêmes (Zwicky en 1930) Gravitation maintient la galaxie Mesure de la distribution de matière : Mesure directe Mesure de la vitesse des objets et déduire la masse qui les fait tourner Conclusion : les mesures ne concordent pas Hypothèse : matière qui n’interagit pas avec la lumière Nature de la matière sombre ? Phénomène de lentilles gravitationnelles

L’énergie sombre (Prix Nobel 2011) Chandelles cosmiques = supernovae Diagramme de Hubble

Seul 4% des constituants de l’Univers sont connus ! Confirmation par différentes expériences

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

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 ? Nouvelle physique ? pourquoi l’Univers est-il plat ? Inflation et Univers primordial

Merci à André Füzfa pour les illustrations de l’exposition Univers Face A Face B !