Cosmologie L’étude de l’univers - structure, taille, caractéristiques.

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1 Cosmologie L’étude de l’univers - structure, taille, caractéristiques

2 Cosmologie moderne “Moderne” - Isaac Newton Gravité - une façon de décrire l’univers basée sur la physique Vue de Newton sur l’univers Infini Statique - immobile Pourquoi?

3 Statique - pas de mouvements observés à grande échelle Infini - nécessité d’équilibre de masse de toute la matière Un univers fini a une fin! Le materiel près de cette limite est attiré vers le centre par la force d’attraction due à la gravité et se déplace donc. Pas de mouvement observé donc pas de limite et donc infini Problèmes avec un univers infini: Paradoxe d’Olbers - “Pourquoi la nuit est-elle si sombre dans un univers infini? Un univers infini, un nombre infini d’étoiles, lumière stellaire infinie, le ciel devrait briller de millions de feux! Solution - il n’est pas infininement vieux. On ne peut pas tout voir, seulement ce qui est proche.

4 Définitions modernes Homogénéité - materiel uniformément réparti Faux à petites échelles mais vrai à grande échelle Isotropie - aspect identique pour tous les observateurs Homogénéité + Isotropie = Principe cosmologique Une autre règle (on l’espère vraie) Universalité - les lois de la physique s’appliquent partout Les modèles d’univers essaient de produire un univers qui obeit au Principe Cosmologique et à l’Universalité

5 L’univers que nous observons est en expansion uniforme Pourquoi de façon uniforme? S’il n’en était pas ainsi, alors la loi de Hubble serait plus complexe Loi de Hubble v= H o d Les objets lointains s’éloignent plus vite de nous Nous sommes au centre de l’univers!!!! Et bien non!

6 Il n’y a pas un centre unique de l’univers. Chaque point dans l’univers est le centre de l’univers. Comment l’univers est il en expansion? Est il en expansion dans quelque chose? Y aura-t-il plus de parking dans le futur? Retournons à la relativité générale …..

7 Courbure de lespace Relativité générale - l’espace est distordu par la masse L’espace (Univers) est en cours de d’extension par l’expansion Comment? Cela dépend de la courbure del’Univers. 3 types simples de courbure - 2-D analogues Plat - pas de courbure - ennuyeux

8 Courbure positive - une sphère Courbure négative - selle, Chips Pringles

9 Quelle sorte de courbure possède l’univers? Nous verrons plus tard… Que pensait Einstein de lunivers? Qu’il était homogène et isotrope (Principe Cosmologique) Qu’il n’y avait pas de mouvement organisé (before Hubble) Ses formules “disent” qu’il y a probablement des mouvements! Il “a établi” ses formules Il a inséré un terme anti-gravité,  = constante cosmologique Plus tard, il appris que l’univers est en expansion. Zut, il n’avait pas besoin du terme . A-t-on encore besoin de la constante cosmologique? Nous verrons plus tard….

10 Si l’univers est en expansion, il a dû être plus petit dans le passé On peut remonter jusqu’au début de l’univers, jusqu’au BIG BANG! La cosmogonie - l’origine de l’univers. La théorie actuelle - la théorie du Big Bang Alexandr Friedman Abbe George LeMaitre

11 Avant le Big Bang? Pas de temps Pas d’espace Peut-on même le définir?

12 Temps = 0 Supergravité C’est tout ce que l’on peut dire

13 Temps = 10 -43 seconds 0.0000000000000000000000000000000000000000001 Ere Planck Période la plus précoce que l’on peut décrire Deux forces existent - Gravité & GUT GUT = Grand Unified Theory

14 Temps = 10 -35 Seconds Fin de la GUT 3 forces existent - gravité, inter. nucl. forte & electrost. faible Création de particules élémentaires - quarks (proton, neutron) leptons (electrons, neutrinos) Comment la matière est-elle créée? E=mc 2 Leger déséquilibre entre matière et antimatière

15 Temps =10 -35 to 10 -33 seconde Dilatation La taille de l’univers augmente trés rapidement Pourquoi? L’énergie de l’ére précédente Jusqu’à quelle taille croît l’univers? Elle a crû d’un facteur 10 30 à 10 40 La dilatation explique la nature uniforme de l’univers

16 Temps = 10 -12 seconde Fin des forces unifiées 4 forces dans la nature - les mêmes qu’aujourd’hui Gravité Interaction nucléaire forte Interaction nucléaire faible Force électro-magnétique Début de la production de quelques éléments (protons, électrons)

17 Temps = 10 -7 seconde Ere des particules lourdes Production de particules “massives” - Protons, neutrons Temps = 10 -4 seconde Ere des particules légères Production de “petites” particules - électrons

18 Temps = jusqu’à 3 minutes Ere de la nucléosynthèse Température = 10 9 K Hydrogène (protons) fusionnent en noyaux d’Helium Résultat final = composition de 75% H 25% He

19 Recombinaison (Découplage) Temperature = 3000 K La domination de l’univers par la radiation s’achève et celle de la matière commence (gravité) Temps = 380,000 ans

20 Temps = 500 millions d’années Formation des Galaxies - galaxies ou amas: qui est apparu en premier? Théorie du haut en bas - grande structure d’abord, petite galaxie ensuite Théorie du bas en haut - d’abord les galaxies, ensuite les grands amas Lequel est le plus probable? Depend de la forme de la matière sombre. matière sombre “chaude” - mouvement rapide - facilite la construction de grandes structures matière sombre “froide” - lente - construit de petites structures

21 Now

22 Le Big Bang est-il une théorie correcte? Qu’est ce qui fait qu’une théorie est correcte? Qu’est ce qui fait qu’une théorie est incorrecte? Peut-on “prouver” qu’une théorie est correcte? Une théorie peut être soutenue - qu’est ce qui soutient la théorie du Big Bang? Y-a-t-il des soutiens? Retournons à 1965 Recherche par les physiciens Robert Dicke et P. J. E. Peebles de la radiation résiduelle du Big Bang - mais comment la trouver?

23 Robert Wilson, Arno Penzias recherchent la radiation dans toutes les directions. Quelle forme a-t-elle? Ils ne savaient pas mais ils ont trouvé la radiation!

24 Radiation cosmique du fond du ciel Radiation cosmique micro-onde Radiation 3 K Radiation cosmique C’est la radiation résiduelle du BB. Elle a la bonne temperature (autour de 3 K) Mesurée dans toutes les directions Très régulière Trop régulière - c’est un problème L’univers n’est pas régulier (il possède de larges structures) Ainsi la radiation ne devrait pas être régulière

25 Satellite COBE Cosmic Background Explorer - Lancé 1989 Janvier 1990 - premiers résultats présentés Température mesurée précisément (2.735 K) Energie émise est exactement celle d’un corps noir parfait!

26 Mesures continuent avec les missions BOOMERanG & WMAP La matière froide sombre est favorisée

27 Destin de l’univers L’univers est en expansion - Qu’est ce qui pourrait la freiner? La gravité! Combien en faut-il?? Beaucoup! Y-en-a-il assez? Besoin de mesurer la densité de l’univers La densité critique - densité nécessaire pour arrêter l’expansion

28 Destins “simples” possibles DensitéType d’univers CourbureDestin <CritiqueOuvertNégativeExpansion continue >CritiqueFerméPositiveEffondrement =CritiqueLégérement ouvertPlatExpansion freinée Lequel est le bon? Comment peut-on le dire? Regarder comment l’expansion change avec le temps (à grandes dist.) C’est exactement ce qu’on fait les astronomes - qu’ont-ils appris?

29 Que fait l’univers? 1997 - Etudes indépendantes de l’expansion del’univers Recherche du taux de ralentissement de l’univers Au lieu de cela, découverte que l’univers accélère. Comment est-ce possible? L’univers accélère!!!! F=ma Quelle en est la raison?

30  - La Constante Cosmologique L’erreur d’Einstein - l’inclusion d’un terme “anti-gravité”,  Il semble bien qu’il existe réellement….. Comment? La densité en énergie du vide - l’espace lui-même contient de l’énergie - elle dirige l’expansion Plus d’espace signifie plus d’accélération Pas encore très sûr de ce qu’est la densité en énergie du vide.... Ainsi, pas de chance pour l’univers de se recontracter, malgré la question de sa densité.

31 Mission WMAP Mesurer le degré de rugosité de la radiation du fond du ciel

32 Résultas de WMAP (Février 2003) L’universe semble être plat et en accélération La matière sombre froide est favorisée Age de l’univers = 13.7 ± 0.2 milliards d’années Constante de Hubble = 71 ± 4 km/s/Mpc  = 73% de l’univers (quantité de “Vacuum energy density”) Matière = 27% de l’univers - l’essentiel étant de la matière sombre seulement 4% de l’univers est fait de matière “normale” Est ce la réponse fibale? Non, loin de là…...