la cosmologie master classes cp3 2014 sandrine schlÖgel (unamur-uclouvain) 1
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La cosmologie
Master Classes CP3 2014
Sandrine SCHLÖGEL (UNamur-UCLouvain)
1
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Les échelles de grandeur 2
Electromagnétisme
Interactions nucléaires
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Le principe cosmologique3
A grande échelle (1024 m), l’Univers est homogène et isotrope.
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Quelques éléments de la cosmologie moderne
• Une théorie : la relativité générale Lois de la physique indépendantes du référentiel,
y compris dans un champ gravitationnel Implémente le principe cosmologique
• Première question : Univers statique (Einstein)? En expansion (Lemaître, 1927) ?
• Observations nécessaires !
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Arpentage de l’Univers (1) : Mesure des distances
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•Chandelles cosmiques : les céphéides (Leavitt, 1912)•Puissance émise connue•Puissance reçue mesurée
Mesure de la distance !
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Arpentage de l’Univers (2) :Mesure de la vitesse
•Effet Doppler•Raies d’émissions des éléments chimiques
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Loi de Hubble7
•1920 : Hubble•Relation linéaire vitesse/distance•Conclusion : première preuve d’un Univers en expansion !
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Expansion de l’Univers8
d(t0)=d0
d(t)=d0a(t)
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Expansion de l’Univers
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Evolution de l’Univers…10
Univers fermé
Univers ouvert
Univers plat
...liée au contenu en matière/énergie
Big Bang
Big Crunch
Evolution du facteur d’échelle en fonction du temps
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3 grandes questions
1. Pourquoi l'Univers est-il si homogène et isotrope ?
2. Contenu en matière et énergie ?
3. Géométrie et destin de l'Univers ?
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Une histoire à découvrir !Remonter le temps à l'échelle cosmologique
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Modèle du Big Bang chaud
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Temps
Distances/Surfaces/Volumes
Température
Energie
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Les échelles de grandeur 14
Electromagnétisme
Interactions nucléaires
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Les structures à grande échelle•Qu'observons-nous dans l'Univers ?•Apparition de ces structures ?•Ère de matière, œuvre de la gravitation
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Mission spatiale Euclid, 2020
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Le rayonnement fossile : introduction
•A l'échelle des particules et des atomes :- Diversité d'atomes complexes (C, O, N, ..., Fe,…,U) créés dans les étoiles Nucléosynthèse stellaire
- Atomes qui existaient avant la naissance des premières étoiles : H à environ 80%, He, Li
Question : Si la température augmente, que devient l’H ?
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Le rayonnement fossile•Plasma primordial•Energie d’ionisation de l’H : 13,6 eV
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Le rayonnement fossile•Prévision du modèle du Big Bang chaud•Première détection en 1965 par Penzias et
Wilson (Prix Nobel 1978)
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3K
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Le rayonnement fossile
•Rayonnement isotrope
•Effet Doppler
•Plan galactique...et anisotropies très faibles
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Age de l’Univers: 13,8 milliards d’annéesEspace (très) platMatière ordinaire: 4,9%
Matière sombre: 26,8%Énergie sombre: 68,3%
Planck 2013
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La nucleosynthèse primordiale
•Nucleosynthèse primordiale et stelllaire•Création des premiers noyaux•Pourquoi après 3 min ?
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La nucléosynthèse primordiale
•Si T augmente, les noyaux ne sont plus stables•Création des noyaux d'H et d'He ?•Nucléosynthèse primordiale•Prédiction de la cosmologie moderne : proportion d’éléments chimiques légers•1 atome d’He pour 12 d’H
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Histoire de l’Univers23
Ere de Planck(T>1032K)
Ere de Grande Unification(T>1028K)
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Succès du Big Bang chaud
•Expansion cosmologique
•Abondance des éléments légers et nucléosynthèse primordiale
•Existence et physique du rayonnement fossile
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Le côté obscur de la cosmologieMatière sombre, énergie sombre et inflation cosmologique
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Les questions•Qu'est-ce que la matière noire ?
- Formation des structures à grande échelle- Rayonnement fossile
•Qu'est-ce que l'énergie noire ?- Rayonnement fossile
•Homogénéité de l'Univers à grande échelle- Structures à grande échelle- Rayonnement fossile
•Univers (très) plat ?
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La matière sombre
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L’énergie sombre (Prix Nobel 2011)
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Diagramme de Hubble
Chandelles cosmiques = supernovae
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Seul 4% des constituants de l’Univers sont connus !
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L’inflation primordiale
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• Comment expliquer l’homogénéité de l’Univers ?– Uniformité de la T du rayonnement fossile– Communication = échange de lumière– Vitesse finie de la lumière et âge de l’Univers
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L’inflation primordiale
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• Phase d’expansion accélérée• Explique :
- l’homogénéité- la plattitude
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L’inflation primordiale• Etude de la polarisation du rayonnement fossile• Expérience BICEP2 en Antarctique• Résultats : détection d’ondes gravitationnelles primordiales !
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En conclusion…
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•La cosmologie, une science de précision•L’Univers est en expansion•L’Univers a une histoire :
–La nucleosynthèse primordiale–Le rayonnement fossile–L’expansion accélérée actuelle
•Seulement 4% de matière ordinaire
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•Encore de nombreuses questions :–qu’est-ce que la matière noire ?
nouvelle(s) particule(s) ? Gravitation modifiée ?–qu’est-ce que l’énergie noire ?
énergie du vide ? Gravitation modifiée ? Nouveau composant ?
- Univers primordial : Modèle d’inflation ? Théorie quantique de la gravitation ?
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Merci à André Füzfa pour les illustrations
de l’exposition Univers Face A Face B !
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