Introduction à la cosmologie

Introduction à 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 »

Qu’est-ce que la cosmologie?

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.planck.fr/)

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

composantes

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.

Coc et al. 2004, ApJ 600, 544

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 Mpc50 – 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

Cartographie tridimensionnelle de la matière noire duchamp COSMOS.