Nouvel élan de la cosmologie Deuxième partie De 1970 à 1998 Joëlle Pire1

Vera Rubin 1970 Des vitesses à problème Etude de la vitesse de rotation des étoiles au sein des galaxies spirales Etude de la vitesse de rotation des étoiles au sein des galaxies spirales La vitesse devrait diminuer à mesure que la distance au noyau galactique augmente La vitesse devrait diminuer à mesure que la distance au noyau galactique augmente Les prédictions de vitesse sont calculées à partir de la masse des objets visibles (Newton et Kepler) Les prédictions de vitesse sont calculées à partir de la masse des objets visibles (Newton et Kepler) Au contraire la vitesse dans les bras spiraux est quasi constante. Au contraire la vitesse dans les bras spiraux est quasi constante. Problème similaire à celui relevé par Fritz Zwicky et Sinclair Smith en 1933 Problème similaire à celui relevé par Fritz Zwicky et Sinclair Smith en 1933 Joëlle Pire2

images/m74_gemini_big.jpg John Lanoue, photo de M31, galaxie d'Andromède Galaxie d'Andromède Joëlle Pire3

Orbite étoile Etoile Noyau de la galaxie Vitesse Newton : Loin du centre, la force de gravitation et la vitesse diminuent. Vitesse Observations : Les vitesses sont constantes Joëlle Pire4

Newton V = R = distance au centre du noyau M = masse du noyau G = 6, N. m 2 /kg 2 Joëlle Pire5

Supposition : matière noire Pour expliquer cette dynamique, on suppose la présence d'un halo de matière noire autour des galaxies spirales dont la masse serait 5 à 10 fois plus importante que celle des galaxies. Pour expliquer cette dynamique, on suppose la présence d'un halo de matière noire autour des galaxies spirales dont la masse serait 5 à 10 fois plus importante que celle des galaxies. 90% de la matière de l'Univers serait composé de cette matière noire, invisible par nos instruments dont la nature reste encore inconnue. 90% de la matière de l'Univers serait composé de cette matière noire, invisible par nos instruments dont la nature reste encore inconnue. L'étude sur plus de 200 autres galaxies confirme ces résultats. L'étude sur plus de 200 autres galaxies confirme ces résultats. Joëlle Pire6

Matière noire Les lourds grumeaux sont trop légers pour expliquer lexistence des galaxies etc.… Les lourds grumeaux sont trop légers pour expliquer lexistence des galaxies etc.… grumeaux doivent être 10 fois plus lourds grumeaux doivent être 10 fois plus lourds existence matière « noire » invisible existence matière « noire » invisible Joëlle Pire7

Répartition hétérogène des galaxies D'autre part, la matière noire semble requise pour réconcilier les observations avec la théorie canonique selon laquelle les grandes structures, galaxies et amas, se forment à partir de petites fluctuations primordiales de densité qui croissent ensuite par instabilité gravitationnelle. D'autre part, la matière noire semble requise pour réconcilier les observations avec la théorie canonique selon laquelle les grandes structures, galaxies et amas, se forment à partir de petites fluctuations primordiales de densité qui croissent ensuite par instabilité gravitationnelle. Joëlle Pire8

Balances cosmiques La « masse lumineuse » = masse déduite de la présence des étoiles et des gaz qui émettent un rayonnement électromagnétique La « masse lumineuse » = masse déduite de la présence des étoiles et des gaz qui émettent un rayonnement électromagnétique La masse dynamique = masse véritable, déduite de son influence gravitationnelle. La masse dynamique = masse véritable, déduite de son influence gravitationnelle. Lentille gravitationnelle Lentille gravitationnelle Masse dynamique = 100. Masse lumineuse ! Joëlle Pire9

Observateur Joëlle Pire10

Détail NASA/ESA/STSCI/HSTNASA/ESA/STSCI/HST. Joëlle Pire11

Lessentiel de la masse des galaxies est invisible Lessentiel de la masse des galaxies est invisible En analysant les images déformées des galaxies, on construit un carte de densité de matière noire En analysant les images déformées des galaxies, on construit un carte de densité de matière noire Masse cachée = matière noire Masse cachée = matière noire = 10. masse des galaxies = 10. masse des galaxies Joëlle Pire12

Observation de l'explosion d'une étoile en supernova Phénomène difficilement observable depuis la Terre (8 observations en presque 2000 ans) Phénomène difficilement observable depuis la Terre (8 observations en presque 2000 ans) Lexplosion propulse dans lespace Lexplosion propulse dans lespace des atomes synthétisés au sein de létoile des atomes synthétisés au sein de létoile des hautes énergies qui engendrent lapparition de nouveaux atomes plus lourds que le fer tels le Cu, Pb, Hg, Au. des hautes énergies qui engendrent lapparition de nouveaux atomes plus lourds que le fer tels le Cu, Pb, Hg, Au. Accroissement considérable de son éclat durant quelques jours à quelques semaines Accroissement considérable de son éclat durant quelques jours à quelques semaines Joëlle Pire13

Etoile avant explosion Février 1987, époque de son maximum d'éclat Grand Nuage de Magellan Grand Nuage de Magellan Supernova SN 1987A Joëlle Pire14

Expansion accélérée de lUnivers En 1998, les supernovae lointaines apparaissent moins lumineuses que prévu. En 1998, les supernovae lointaines apparaissent moins lumineuses que prévu. Leur distance est supérieure à celle déduite de leur décalage vers le rouge (Redshift) Leur distance est supérieure à celle déduite de leur décalage vers le rouge (Redshift) LExpansion de l Univers accélère LExpansion de l Univers accélère Résultats confirmés par lobservation du télescope spatial Chandra dune supernova loin de 10 milliards d années lumière Résultats confirmés par lobservation du télescope spatial Chandra dune supernova loin de 10 milliards d années lumière De 0 à 4 milliards dannées : expansion freinée par la gravité De 0 à 4 milliards dannées : expansion freinée par la gravité De 4 à 13,7 milliards dannées : accélération de lexpansion De 4 à 13,7 milliards dannées : accélération de lexpansion Joëlle Pire15

Explication de laccélération Il existerait dune force répulsive à grande échelle, capable de contrer la force dattraction des corps célestes. Cette force théorique mystérieuse est nommée « énergie sombre » Joëlle Pire16

Carte didentité de l Univers Age connu : 13.7 milliards dannées Age connu : 13.7 milliards dannées Evolution : en expansion accélérée Evolution : en expansion accélérée Taille : Univers a priori infini Taille : Univers a priori infini Taille de la partie visible : horizon est à 50 milliards dannée-lumière Taille de la partie visible : horizon est à 50 milliards dannée-lumière Contenu : Contenu : tout ce qui a de l énergie contribue à la gravitation tout ce qui a de l énergie contribue à la gravitation Joëlle Pire17

Contenu Contenu Rayonnement (photons, neutrinos) = particules sans masse ou presque Rayonnement (photons, neutrinos) = particules sans masse ou presque Matière : les particules connues (matière ordinaire) et matière noire (nature inconnue) Matière : les particules connues (matière ordinaire) et matière noire (nature inconnue) Energie noire ( nature inconnue) : responsable de lexpansion de l Univers, donne lieu à une gravité répulsive Energie noire ( nature inconnue) : responsable de lexpansion de l Univers, donne lieu à une gravité répulsive Joëlle Pire18

Joëlle Pire19

20 Bosons de Higgs Agents provoquant des ruptures de symétrie Agents donnant de la masse Origine de la masse Joëlle Pire Tel un personnage connu qui entrerait dans une foule, le boson de Higgs ralentirait au fur et à mesure de sa progression créant une certaine inertie

21Joëlle Pire Le modèle standard

Bibliographie et ressources Sébastien GUERET Sébastien GUERET Sébastien GUERET Sébastien GUERET astronomes/Edwin-Hubble/astronomie-Edwin-Hubble.html Quand lUnivers fait boum ! Elémentaire N°7, de linfiniment petit à linfiniment grand, Quand lUnivers fait boum ! Elémentaire N°7, de linfiniment petit à linfiniment grand, destin-de-l'univers.html destin-de-l'univers.html destin-de-l'univers.html destin-de-l'univers.html destin-de-l'univers.html destin-de-l'univers.html destin-de-l'univers.html destin-de-l'univers.html « Les étoiles on leur doit tout » « Les étoiles on leur doit tout » Sciences et vie Junior, Hors série N° 81 avril 2010 Sciences et vie Junior, Hors série N° 81 avril 2010 « Energie sombre. La cosmologie peut-elle s »en passer ? » « Energie sombre. La cosmologie peut-elle s »en passer ? » Pour la science, août 2009, N°382 Pour la science, août 2009, N°382 Cosmologie, Pour la science, juin 2003, Cosmologie, Pour la science, juin 2003, « le nouvel élan de la cosmologie » « le nouvel élan de la cosmologie » Pour la science, novembre 2007, N° 361, Pour la science, novembre 2007, N° 361, Joëlle Pire22

A la recherche de la « particule de Dieu », Guy Duplat, 16/08/2008 A la recherche de la « particule de Dieu », Guy Duplat, 16/08/ particule-de-dieu.html particule-de-dieu.html Pourquoi l Univers accélère-t-il ? Dossier cosmologie; La recherche, mars 2005 N°384 Pourquoi l Univers accélère-t-il ? Dossier cosmologie; La recherche, mars 2005 N°384 Les 44 étages de l'Univers, René Cuillierier in Science & vie junior, 213 (Juin 2007). Les 44 étages de l'Univers, René Cuillierier in Science & vie junior, 213 (Juin 2007). Le Modèle standard, élémentaire N°6, de linfiniment petit à linfiniment grand Le Modèle standard, élémentaire N°6, de linfiniment petit à linfiniment grand (CERN) (CERN) Top Ten Mysteries of the Universe. Top Ten Mysteries of the Universe. edu-resources.web.cern.ch/EDU-Resources/Top10Mysteries_2006.ppt edu-resources.web.cern.ch/EDU-Resources/Top10Mysteries_2006.ppt On croyait lUnivers fixe, il grandit On croyait lUnivers fixe, il grandit Science & vie junior N°197, février 2006 Science & vie junior N°197, février 2006 Joëlle Pire23