Introduction à la cosmologie

Qu’est-ce que la cosmologie? Etude globale des caractéristiques de l’Univers Cosmos complexe Densité très faible: ~10-26 kg.m-3 Emission lumineuse: ~10-39 W.m-3 Composition chimique très curieuse Univers en « expansion »: distance entre les galaxies augmentent avec le temps Amibition première de la cosmologie: Détermination de l’état actuel, thermique, chimique et structurel de l’univers à partir des conditions qui régnaient dans l’univers « primordial »

Les éléments constituants de l'Univers Etoiles: Naines rouges, Soleil, Novae (cours de Philippe Dubuisson) Galaxies (Ce cours) Amas de galaxies (Ce cours) Nébuleuses Tours noirs Quasars Supernovae

Supernova 1604, également connue sous le nom de Supernova de Kepler

Trois formes diffèrentes de l'Univers Luminet, J.P.. Les Dossiers de la Recherche n.21 "Explorer le cosmos", novembre 2005,87-89

Le projet Hubble a donné la détermination optique la plus précise en Mai 2001 avec une estimation finale de 72±8 (km/s)/Mpc. WMAP satellite, 2003: 71±4 (km/s)/Mpc 2012: 74.3 ± 2.1 (km/s)/Mpc Planck satellite: 63 (km/s)/Mpc, (2013)

Historique (1/3) 1963: Découverte du fond diffus cosmologique par Penzias et Wilson à l'aide d'un radiotélescope Observation du halo de notre Galaxie à λ=7.3cm Détection d'un signal supérieur à celui prévu Recherche de contributions parasites: ciel, antenne, détecteurs, ... Contributions trop faibles pour expliquer l'excès de signal observé De plus, signal isotrope, non polarisé et constant dans le temps

Radio télescope de Holmdel (laboratoires Bell Labs) ayant permis à Penzias et Wilson la découverte du fonds diffus cosmologique.

Historique (2/3) Aide de théoriciens: Dicke, Peebles, Roll et Wilkinson Après confrontation --> Détection du rayonnement fossile de l'Univers primordial prévu par les modèles de type Big Bang Deux articles fondateurs en 1965 dans la revue américaine The Astrophysical Journal Découverte d'un rayonnement électromagnétique diffus et isotrope, non polarisé, sans aucune variation de type saisonnier en provenance de l'Univers Interprétation donnée: une radiation « émise » par l'Univers alors qu'il était dans une phase primordiale très chaude et dense

Historique (3/3) Un tel rayonnement diffus cosmologique de quelques degrés K avait été prédit par Georges Gamow en 1949 Rayonnement émis par l'Univers tout entier environ 300000 ans après le Big Bang Spectre de corps noir à la température actuelle de l'Univers Observations à une autre longueur d'onde:λ=3cm -->Première estimation de la température du rayonnement: 3.0 +/- 0.5 K Dès 1966, la nature du spectre est vérifiée entre λ=2.6mm et 21 cm

des anisotropies étaient détectées dans le rayonnement cosmologiques, révélant des fluctuations de température de l'ordre de 5*106, à la limite des conditions de validité des théories. une photo de l'Univers il y 13 milliards d'années !

carte de la sphère céleste montrant les fluctuations (ou anisotropie) du fond diffus cosmologique observées par le satellite COBE (1993) et WMAP (juin 2003)

Fond diffus cosmologique obtenu par le satellite Planck (http://public

http://public.planck.fr/resultats/222-le-ciel-vu-par-planck-en-composantes

Coc et al. 2004, ApJ 600, 544 Abondances d'4He (en fraction de masse), D, d'3He et d'7Li (en nombre relativement à l'hydrogène) en fonction du rapport eta du nombre de baryons au nombre de photons (échelle du bas) et de la quantité Omega_b h2 (échelle du haut). L'épaisseur du trait correspond aux incertitudes du calcul effectué à partir de simulations de type Monte-Carlo. Les régions horizontales hachurées repésentent les abondances primordiales de D, d'3He et d'7Li déduites des observations spectroscopiques. Une limite supérieure pour le d'7Li est également donnée (en tiretés). La bande verticale turquoise représente les contraintes imposées par les observations du satellite WMAP. observées des éléments légers. Les rectangles indiquent les boîtes d'erreur.

Type d'objet Dimension Rapport M/L % de matière sombre Environnement solaire 100 pc 3 – 5 33 Galaxies spirales 30-50 kpc 10 – 20 70-90 Systèmes binaires 50-100 kpc 20 – 30 90 Groupes 0.5-1.5 Mpc 50 – 150 95 Amas 1-5 Mpc 200 – 250 99

Matière noire en violet, dans la galaxie CL 0152-1357 Crédits : Jee et al. 2005, Astrophysical Journal

La matière Noire