Cosmologie @JRJC2011 Nicolas Ponthieu &

La cosmo aux JRJC2011

L’Univers à grande échelle Soleil – Terre : 150 106 km = 5.5 106 CERN = 5 μpc Voie Lactée : R ~ 15 kpc Amas de la Vierge ~ 1.5 Mpc… ~meV ~eV

JRJC2011 Cosmologie Nucléaire et particules

JRJC2011 Cosmologie Grandes échelles Nucléaire et particules

JRJC2011 Cosmologie Nucléaire et particules Grandes échelles Echelles microscopiques

JRJC2011 Cosmologie Nucléaire et particules Grandes échelles On va dans les cieux Nucléaire et particules Echelles microscopiques

JRJC2011 Cosmologie Nucléaire et particules Grandes échelles On va dans les cieux Nucléaire et particules Echelles microscopiques Vous allez sous-terre

JRJC2011 Cosmologie Nucléaire et particules Grandes échelles On va dans les cieux Ou à Hawai… Nucléaire et particules Echelles microscopiques Vous allez sous-terre

JRJC2011 Cosmologie Nucléaire et particules Grandes échelles On va dans les cieux Ou à Hawai Nucléaire et particules Echelles microscopiques Vous allez sous-terre Genève

JRJC2011 Cosmologie Nucléaire et particules Grandes échelles On va dans les cieux Ou à Hawai Nos photons sont tout mous Nucléaire et particules Echelles microscopiques Vous allez sous-terre Genève Bon ok…

JRJC2011 Cosmologie Nucléaire et particules Grandes échelles On va dans les cieux Ou à Hawai Nos photons sont tout mous Nos gamins n’ont pas les mêmes centres d’intérêt Nucléaire et particules Echelles microscopiques Vous allez sous-terre Genève Bon ok…

JRJC2011 Cosmologie Nucléaire et particules Grandes échelles On regarde le ciel Hawai Nos photons sont tout mous Nos gamins n’ont pas les mêmes centres d’intérêt Nucléaire et particules Echelles microscopiques Vous allez sous-terre Genève Bon ok… Courtesy Pauline ;-)

Mais qu’est ce qu’on f… ici ?! JRJC2011 Mais qu’est ce qu’on f… ici ?!

Le Big-Bang La RG décrit un Univers dynamique, en contraction ou expansion Einstein le préfère statique…

Le Big-Bang La RG décrit un Univers dynamique, en contraction ou expansion Einstein le préfère statique… Georges Lemaître en 1927 préfère un modèle en expansion L’Univers est né d’un atome primitif qui se serait désintégré en ce que nous connaissons aujourd’hui Einstein : “Vos calculs sont justes, mais votre sens physique est épouvantable”

Le Big-Bang La RG décrit un Univers dynamique, en contraction ou expansion Einstein le préfère statique… Georges Lemaître en 1927 préfère un modèle en expansion L’Univers est né d’un atome primitif qui se serait désintégré en ce que nous connaissons aujourd’hui Einstein : “Vos calculs sont justes, mais votre sens physique est épouvantable” Hoyle nomme ironiquement le modèle de Lemaître “Big Bang” (plus tard)

Le Big-Bang La RG décrit un Univers dynamique, en contraction ou expansion Einstein le préfère statique… Georges Lemaître en 1927 préfère un modèle en expansion L’Univers est né d’un atome primitif qui se serait désintégré en ce que nous connaissons aujourd’hui Einstein : “Vos calculs sont justes, mais votre sens physique est épouvantable” Hoyle nomme ironiquement le modèle de Lemaître “Big Bang” Hubble 1929 observe l’expansion Einstein au sujet de Λ : “ma plus grosse boulette” Edwin Hubble

Le Big-Bang La RG décrit un Univers dynamique, en contraction ou expansion Einstein le préfère statique… Georges Lemaître en 1927 préfère un modèle en expansion L’Univers est né d’un atome primitif qui se serait désintégré en ce que nous connaissons aujourd’hui Einstein : “Vos calculs sont justes, mais votre sens physique est épouvantable” Hoyle nomme ironiquement le modèle de Lemaître “Big Bang” Hubble 1929 observe l’expansion Einstein au sujet de Λ : “ma plus grosse boulette” L’Univers était donc plus dense et plus chaud dans le passé.. Et était donc le siège de phénomènes à plus haute énergie ! 

Egalité Matière-Rayonnement Galaxies et grandes structures Le Big-Bang Physique des hautes énergies Brisures de symétries des interactions Gel des distributions des éléments si le taux d’interaction n’est pas assez élevé par rapport à l’expansion Les particules quittent l’équilibre thermique 1016 GeV 10-32 s GUT 1015 GeV 300 GeV Transition E-F 10-10 s 0.1 MeV Nucléosynthèse 100 s 1 eV Egalité Matière-Rayonnement 104 ans 0.1 eV Recombinaison 105 ans Z=20 ? Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0.2 meV 13.7 109 ans

Egalité Matière-Rayonnement Galaxies et grandes structures Le Big-Bang Nucléosynthèse primordiale (de 3 à 20 mn) p + n 2H puis 3H, 3He, 4He… Li, 8Be Abondances relatives figées (sauf désintégrations des plus lourds) 1016 GeV 10-32 s GUT 1015 GeV 300 GeV Transition E-F 10-10 s 0.1 MeV Nucléosynthèse 100 s 1 eV Egalité Matière-Rayonnement 104 ans 0.1 eV Recombinaison 105 ans Z=20 ? Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0.2 meV 13.7 109 ans

Egalité Matière-Rayonnement Galaxies et grandes structures Le Big-Bang Le Fond Diffus (400 000ans) a.k.a. FDC, CMB, 3K, ray. Fossile… 1016 GeV 10-32 s GUT 1015 GeV 300 GeV Transition E-F 10-10 s 0.1 MeV Nucléosynthèse 100 s 1 eV Egalité Matière-Rayonnement 104 ans 0.1 eV Recombinaison 105 ans Z=20 ? Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0.2 meV 13.7 109 ans

Egalité Matière-Rayonnement Galaxies et grandes structures Le Big-Bang Le Fond Diffus Cosmologique a.k.a. FDC, CMB, 3K, ray. Fossile… Photons trop faibles pour ioniser H L’Univers devient transparent 1016 GeV 10-32 s GUT 1015 GeV 300 GeV Transition E-F 10-10 s 0.1 MeV Nucléosynthèse 100 s 1 eV Egalité Matière-Rayonnement 104 ans 0.1 eV Recombinaison 105 ans Z=20 ? Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0.2 meV 13.7 109 ans

Egalité Matière-Rayonnement Galaxies et grandes structures Le Big-Bang Le Fond Diffus (400 000 ans) a.k.a. FDC, CMB, 3K, ray. fossile… Photons trop faibles pour ioniser H L’Univers devient transparent Les photons forment un corps noir qui ne subit plus que l’expansion Prédit en 1948 par Gamow, Alpher, Hermann 1016 GeV 10-32 s GUT 1015 GeV 300 GeV Transition E-F 10-10 s 0.1 MeV Nucléosynthèse 100 s 1 eV Egalité Matière-Rayonnement 104 ans 0.1 eV Recombinaison 105 ans Z=20 ? Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0.2 meV 13.7 109 ans

Egalité Matière-Rayonnement Galaxies et grandes structures Le Big-Bang Le Fond Diffus (400 000 ans) a.k.a. FDC, CMB, 3K, ray. fossile… Photons trop faibles pour ioniser H L’Univers devient transparent Les photons forment un corps noir qui ne subit plus que l’expansion Prédit en 1948 par Gamow, Alpher, Hermann Détecté en 1965 par Penzias et Wilson 1016 GeV 10-32 s GUT 1015 GeV 300 GeV Transition E-F 10-10 s 0.1 MeV Nucléosynthèse 100 s 1 eV Egalité Matière-Rayonnement 104 ans 0.1 eV Recombinaison 105 ans Peebles Penzias & Wilson Z=20 ? Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0.2 meV 13.7 109 ans

Le Corps Noir Cosmologique Le plot qui tue : FIRAS (Far Infra Red Absolute Spectrophotometer)

Le Corps Noir Cosmologique Le plot qui tue : FIRAS

Le Corps Noir Cosmologique Le plot qui tue : FIRAS “FIRAS”, moins sexy que PAMELA

Le Corps Noir Cosmologique Le plot qui tue : FIRAS “FIRAS”, moins sexy que PAMELA Quoi que… ?

Egalité Matière-Rayonnement Galaxies et grandes structures Le Big-Bang Le Fond Diffus (400 000 ans) a.k.a. FDC, CMB, 3K, ray. fossile… Photons trop faibles pour ioniser H L’Univers devient transparent Les photons forment un corps noir qui ne subit plus que l’expansion Prédit en 1948 par Gamow, Alpher, Hermann Détecté en 1965 par Penzias et Wilson 1016 GeV 10-32 s GUT 1015 GeV 300 GeV Transition E-F 10-10 s 0.1 MeV Nucléosynthèse 100 s 1 eV Egalité Matière-Rayonnement 104 ans 0.1 eV Recombinaison 105 ans Z=20 ? Réionisation 108 ans 1992-1996 Galaxies et grandes structures 0.2 meV 13.7 109 ans

Egalité Matière-Rayonnement Galaxies et grandes structures Le Big-Bang Le Fond Diffus (400 000 ans) a.k.a. FDC, CMB, 3K, ray. fossile… Photons trop faibles pour ioniser H L’Univers devient transparent Les photons forment un corps noir qui ne subit plus que l’expansion Prédit en 1948 par Gamow, Alpher, Hermann Détecté en 1965 par Penzias et Wilson 1016 GeV 10-32 s GUT 1015 GeV 300 GeV Transition E-F 10-10 s 0.1 MeV Nucléosynthèse 100 s 1 eV Egalité Matière-Rayonnement 104 ans 0.1 eV Recombinaison 105 ans Z=20 ? Réionisation 108 ans 1992-1996 Galaxies et grandes structures 0.2 meV 13.7 109 ans

Egalité Matière-Rayonnement Galaxies et grandes structures Le Big-Bang Le Fond Diffus (400 000 ans) Anisotropies 1016 GeV 10-32 s GUT 1015 GeV 300 GeV Transition E-F 10-10 s 0.1 MeV Nucléosynthèse 100 s 1 eV Egalité Matière-Rayonnement 104 ans 0.1 eV Recombinaison 105 ans Z=20 ? Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0.2 meV 13.7 109 ans

Egalité Matière-Rayonnement Galaxies et grandes structures Le Big-Bang Réionisation Allumage des premières étoiles Ionisation du gaz Effet Gunn-Peterson Rediffusion des photons CMB 1016 GeV 10-32 s GUT 1015 GeV 300 GeV Transition E-F 10-10 s 0.1 MeV Nucléosynthèse 100 s 1 eV Egalité Matière-Rayonnement 104 ans 0.1 eV Recombinaison 105 ans Z=20 ? Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures 0.2 meV 13.7 109 ans

Egalité Matière-Rayonnement Galaxies et grandes structures Le Big-Bang Formation des structures Les surdensités croissent peu à peu par la gravitation et forment galaxies et amas 1016 GeV 10-32 s GUT 1015 GeV 300 GeV Transition E-F 10-10 s 0.1 MeV Nucléosynthèse 100 s 1 eV Egalité Matière-Rayonnement 104 ans 0.1 eV Recombinaison 105 ans Z=20 ? Réionisation 108 ans Galaxies et grandes structures SDSS 0.2 meV 13.7 109 ans

Egalité Matière-Rayonnement Galaxies et grandes structures Le Big-Bang 1016 GeV 10-32 s GUT 1015 GeV 300 GeV Transition E-F 10-10 s 0.1 MeV Nucléosynthèse 100 s Comment décrire et contraindre ce modèle ? 1 eV Egalité Matière-Rayonnement 104 ans 0.1 eV Recombinaison 105 ans Z=20 ? Réionisation Galaxies et grandes structures 0.2 meV 13.7 109 ans

Relativité Générale (1 slide, sic !) A grande échelle, seule la gravitation intervient Isotropie et homogénéité Métrique de Friedmann-Lemaître-Robertson-Walker k = 1 Géométrie Contenu matière-énergie k = 0 k = -1, 0, 1 k = -1

Les paramètres cosmologiques Evolution du facteur d’échelle La constante cosmologique accélère l’expansion Normalise la première à la densité critique 3H2/8πG Les Ωi interviennent également dans chaque processus… Ωm=0.3 (Ωb=0.04), ΩΛ=0.7, Ωk=0 95% du contenu de l’Univers échappe à notre compréhension

Au delà du Modèle Standard Distance causale sur le ciel CMB : 1deg, mais dT/T = 10-4 Ωk = 0 ± 2% aujourd’hui suppose Génération des structures dans un Univers homogène et isotrope Monopoles magnétiques et autre reliques t ~ 0 CMB A B Observer

Au delà du Modèle Standard 1016 GeV 1015 GeV 300 GeV 0.1 MeV 1 eV 0.1 eV Z=20 ? 0.2 meV Galaxies et grandes structures Recombinaison GUT Transition E-F Nucléosynthèse Egalité Matière-Rayonnement Réionisation 10-32 s 10-10 s 100 s 104 ans 105 ans 13.7 109 ans ?? Gev ?? s Expansion exponentielle Champ scalaire (ou plusieurs) qui descend lentement son potentiel et se désintègre Plus de problème d’horizon La platitude est prédite Les perturbations naissent des fluctuations quantiques du champ inflaton Monopoles et autres reliques exponentiellement diluées t ~ 0 CMB A B Observateur 108 ans

Au delà du Modèle Standard Hypothèse très forte mais sans vraie rivale à l’heure actuelle et qui fait des prédictions vérifiées non triviales : pics acoustiques La polarisation du CMB peut-être un jour… Chiang et al, 2010

Les talks Flora Mickaël Lilian Guillaume Modèles d’explosion de Super Novae de type Ia Mickaël Etude des galaxies hôtes des SNIa Lilian Réionisation et traitement des données de Planck Guillaume Séparation de composantes et effet Sunyaev-Zeldovitch

Le modèle de concordance Baryons 4% Dark Matter 22% Dark Energy: 74% Kowalksi et al, 2008 Mickaël et Flora Lilian et Guillaume