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1. La cosmologie. Master Classes CP3 2014 Sandrine SCHLÖGEL (UNamur-UCLouvain). 2. Les échelles de grandeur . Electromagnétisme. Interactions nucléaires. 3. Le principe cosmologique. A grande échelle (10 24 m), l’Univers est homogène et isotrope . Quelques éléments - PowerPoint PPT Presentation
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La cosmologie
Master Classes CP3 2014Sandrine SCHLÖGEL
(UNamur-UCLouvain)
1
Les échelles de grandeur 2
Electromagnétisme
Interactions nucléaires
Le principe cosmologique3
A grande échelle (1024 m), l’Univers est homogène et isotrope.
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 !
Arpentage de l’Univers (1) : Mesure des distances
5
•Chandelles cosmiques : les céphéides (Leavitt, 1912)•Puissance émise connue•Puissance reçue mesurée
Mesure de la distance !
Arpentage de l’Univers (2) :Mesure de la vitesse
•Effet Doppler•Raies d’émissions des éléments chimiques
6
Loi de Hubble7
•1920 : Hubble•Relation linéaire vitesse/distance•Conclusion : première preuve d’un Univers en expansion !
Expansion de l’Univers8
d(t0)=d0
d(t)=d0a(t)
Expansion de l’Univers
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
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 ?
Une histoire à découvrir !Remonter le temps à l'échelle cosmologique
12
Modèle du Big Bang chaud
13
Temps
Distances/Surfaces/Volumes
Température
Energie
Les échelles de grandeur 14
Electromagnétisme
Interactions nucléaires
Les structures à grande échelle•Qu'observons-nous dans l'Univers ?•Apparition de ces structures ?•Ère de matière, œuvre de la gravitation
15
Mission spatiale Euclid, 2020
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 ?
16
Le rayonnement fossile•Plasma primordial•Energie d’ionisation de l’H : 13,6 eV
17
Le rayonnement fossile•Prévision du modèle du Big Bang chaud•Première détection en 1965 par Penzias et
Wilson (Prix Nobel 1978)
18
3K
Le rayonnement fossile
•Rayonnement isotrope
•Effet Doppler
•Plan galactique...et anisotropies très faibles
19
20
Age de l’Univers: 13,8 milliards d’annéesEspace (très) platMatière ordinaire: 4,9%
Matière sombre: 26,8%Énergie sombre: 68,3%
Planck 2013
La nucleosynthèse primordiale
•Nucleosynthèse primordiale et stelllaire•Création des premiers noyaux•Pourquoi après 3 min ?
21
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
22
Histoire de l’Univers23
Ere de Planck(T>1032K)
Ere de Grande Unification(T>1028K)
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
25
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 ?
26
La matière sombre
27
L’énergie sombre (Prix Nobel 2011)
28
Diagramme de Hubble
Chandelles cosmiques = supernovae
Seul 4% des constituants de l’Univers sont connus !
29
L’inflation primordiale
30
• 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
L’inflation primordiale
31
• Phase d’expansion accélérée• Explique :
- l’homogénéité- la plattitude
L’inflation primordiale• Etude de la polarisation du rayonnement fossile• Expérience BICEP2 en Antarctique• Résultats : détection d’ondes gravitationnelles primordiales !
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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