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La cosmologie
Master Classes CP3 2013
Sandrine SCHLÖGEL (UNamur-UCLouvain)
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Les échelles de grandeur Electromagnétisme
Interactions nucléaires
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Le principe cosmologique
A grande échelle (1024 m), l’Univers est homogène et isotrope.
4
Expansion de l’Univers
• Relativité générale• Principe cosmologique• 1927 : Georges Lemaître
Expansion de l’Univers
5
Géométrie de l’Univers
Univers fermé Univers ouvert
Univers plat
6
Expansion et géométrie de l’Univers
d(t0)=d0
d(t)=d0a(t)
Big Bang
Big Crunch
7
Arpentage de l’Univers (1) : Mesure des distances
• Chandelles cosmiques : les céphéides• 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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Expansion de l’Univers
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Loi de Hubble
• 1920 : Hubble• Relation linéaire vitesse/distance• Conclusion : première preuve d’un Univers en
expansion !
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Modèle du Big Bang chaud
Temps
Distances/Surfaces/Volumes
Température
Energie
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L’UNIVERS A UNE HISTOIREL’Univers primordial, la nucleosynthèse et le rayonnement fossile
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Histoire de l’Univers
Ere de Planck(T>1032K)
Ere de Grande Unification(T>1028K)
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La nucleosynthèse primordiale
• Nucleosynthèse primordiale et stelllaire• Création des premiers noyaux• Pourquoi après 3 min ?• Prédiction du modèle du Big Bang : proportion
d’éléments chimiques légers• 1 atome d’He pour 12 d’H
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La nucleosynthèse primordiale
• Nucleosynthèse primordiale et stelllaire• Création des premiers noyaux• Pourquoi après 3 min ?
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Histoire de l’Univers
Ere de Planck(T>1032K)
Ere de Grande Unification(T>1028K)
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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)
3K
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Le rayonnement fossile• Plasma primordial• Energie d’ionisation de l’H : 13,6 eV
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Age de l’Univers: 13,7 milliards d’annéesEspace (très) platMatière ordinaire: 4%
Matière sombre: 20%Energie sombre: 74%
WMAP 2003-2009
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Planck
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Histoire de l’Univers
Ere de Planck(T>1032K)
Ere de Grande Unification(T>1028K)
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Succès du Big Bang chaud
• Récession des galaxies et expansion cosmologique
• Abondance des éléments légers et nucleosynthèse primordiale
• Existence et physique du rayonnement fossile
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LE CÔTÉ OBSCUR DE LA COSMOLOGIE
Matière sombre, énergie sombre et inflation cosmologique
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La matière sombre
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La matière sombre• Galaxies tournent trop vite sur elles-mêmes (Zwicky
en 1930)• Gravitation maintient la galaxie• Mesure de la distribution de matière : – Mesure directe– Mesure de la vitesse des objets et déduire la masse qui les
fait tourner• Conclusion : les mesures ne concordent pas• Hypothèse : matière qui n’interagit pas avec la
lumière• Nature de la matière sombre ?
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L’énergie sombre (Prix Nobel 2011)
Diagramme de Hubble
Chandelles cosmiques = supernovae
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Seul 4% des constituants de l’Univers sont connus !
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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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• 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 ? Nouvelle physique ?– pourquoi l’Univers est-il plat ?– Inflation et Univers primordial
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Merci à André Füzfa pour les illustrations
de l’exposition Univers Face A Face B !
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