CosmologieL’étude de l’univers - structure, taille, caractéristiques

Cosmologie moderne

“Moderne” - Isaac Newton

Gravité - une façon de décrire l’univers basée sur la physique

Vue de Newton sur l’univers InfiniStatique - immobile

Pourquoi?

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.

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

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= Ho d

Les objets lointains s’éloignent plus vite de nous

Nous sommes au centre de l’univers!!!!Et bien non!

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 …..

Courbure de lespaceRelativité générale - l’espace est distordu par la masseL’espace (Univers) est en cours de d’extension par l’expansionComment?Cela dépend de la courbure del’Univers.3 types simples de courbure - 2-D analoguesPlat - pas de courbure - ennuyeux

Courbure positive - une sphère

Courbure négative - selle, Chips Pringles

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….

Si l’univers est en expansion, il a dû être plus petit dans le passéOn 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

Avant le Big Bang?

Pas de temps

Pas d’espace

Peut-on même le définir?

Temps = 0

SupergravitéC’est tout ce que l’on peut dire

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

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=mc2

Leger déséquilibre entre matière et antimatière

Temps =10-35 to 10-33 secondeDilatation

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 1030 à 1040

La dilatation explique la nature uniforme de l’univers

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)

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

Temps = jusqu’à 3 minutes

Ere de la nucléosynthèse

Température = 109 K

Hydrogène (protons)

fusionnent en noyaux

d’Helium

Résultat final = composition de

75% H 25% He

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

Temps = 500 millions d’annéesFormation 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

Now

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?

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!

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

Satellite COBECosmic 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!

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

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

Destins “simples” possibles

Densité Type d’univers Courbure Destin

<Critique Ouvert Négative Expansion continue

>Critique Fermé Positive Effondrement

=Critique Légérement ouvert Plat Expansion 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?

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?

- 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.

Mission WMAP

Mesurer le degré de rugosité de la radiation du fond du ciel

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…...