La cosmologie

La cosmologie

Master Classes CP3 2013

Sandrine SCHLÖGEL (UNamur-UCLouvain)

1

Les échelles de grandeur

2

Electromagnétisme

Interactions nucléaires

Le principe cosmologique

3

A grande échelle (1024 m), l’Univers est homogène et isotrope.

Expansion de l’Univers

4

• Relativité générale• Principe cosmologique• 1927 : Georges Lemaître

Expansion de l’Univers

Géométrie de l’Univers

5

Univers fermé Univers ouvert

Univers plat

Expansion et géométrie de l’Univers

6

d(t0)=d0

d(t)=d0a(t)

Big Bang

Big Crunch

Arpentage de l’Univers (1) : Mesure des distances

7

Arpentage de l’Univers (2) :Mesure de la vitesse

• Effet Doppler• Raies d’émissions des éléments chimiques

8

Expansion de l’Univers

9

Loi de Hubble

10

• 1920 : Hubble• Relation linéaire vitesse/distance• Conclusion : première preuve d’un Univers en

expansion !

Modèle du Big Bang chaud

11

Temps

Distances/Surfaces/Volumes

Température

Energie

L’univers a une histoireL’Univers primordial, la nucleosynthèse et le rayonnement fossile

12

Histoire de l’Univers

13

Ere de Planck(T>1032K)

Ere de Grande Unification(T>1028K)

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

14

La nucleosynthèse primordiale

• Nucleosynthèse primordiale et stelllaire• Création des premiers noyaux• Pourquoi après 3 min ?

15

Histoire de l’Univers

16

Ere de Planck(T>1032K)

Ere de Grande Unification(T>1028K)

Le rayonnement fossile• Prévision du modèle du Big Bang chaud• Première détection en 1965 par Penzias et

Wilson (Prix Nobel 1978)

17

3K

Le rayonnement fossile• Plasma primordial• Energie d’ionisation de l’H : 13,6 eV

18

19

Age de l’Univers: 13,7 milliards d’annéesEspace (très) platMatière ordinaire: 4%

Matière sombre: 20%Energie sombre: 74%

WMAP 2003-2009

Planck

20

Histoire de l’Univers

21

Ere de Planck(T>1032K)

Ere de Grande Unification(T>1028K)

Succès du Big Bang chaud

• Récession des galaxies et expansion cosmologique

• Abondance des éléments légers et nucleosynthèse primordiale

• Existence et physique du rayonnement fossile

22

Le côté obscur de la cosmologieMatière sombre, énergie sombre et inflation cosmologique

23

La matière sombre

24

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 ?

25

L’énergie sombre (Prix Nobel 2011)

26

Diagramme de Hubble

Chandelles cosmiques = supernovae

Seul 4% des constituants de l’Univers sont connus !

27

• 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

28

• 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

29

Merci à André Füzfa pour les illustrations

de l’exposition Univers Face A Face B !

30