Histoire de la cosmologie

Un cours offert aux étudiants de la Faculté des Lettres,

de la Faculté de Biologie et de médecine, de la Faculté des Hautes études commerciales, de la Faculté de Géosciences et environnement,

de la Faculté des Sciences sociales et politiques et de la Faculté de Théologie et de sciences des religions

de l’Université de Lausanne

dans le cadre de « Sciences au carré »

Histoire de la cosmologie

Prof. Georges Meylan

Laboratoire d’astrophysique Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

Site web du laboratoire et du cours : 
http://lastro.epfl.ch

Histoire de la cosmologie 13 – Invention du Big Bang

13.1 Le point de départ : Albert Einstein 13.2 Les trois pères fondateurs du BB :

Alexandre Friedmann, Georges Lemaître, George Gamow 13.3 Les trois preuves observationnelles du Big Bang :

l’expansion de l’Univers, la nucléosynthèse cosmologique, le CMB

Voir le fichier 13-InventionduBigBang.pdf sur le site web 
du laboratoire et du cours : http://lastro.epfl.ch

Histoire de la cosmologie 13 – L’invention du Big Bang

Bibliographie succincte

•  GAMOW, George. The Creation of the Universe. New York : Viking Press, 1961. •  KUMAR, Manjit. Quantum : Einstein, Bohr, and the Great Debate about the

Nature of Reality. New York : W. W. Norton & Co., 2008. •  LAMBERT, Dominique. Un atome d’Univers. La vie et l’œuvre de Georges

Lemaître. Bruxelles : Editions Lessius, 1999. •  LEMAITRE, Georges. L’hypothèse de l’atome primitif. Neuchâtel : Editions du

Griffon, 1946. •  LUMINET, Jean-Pierre. L’invention du Big Bang. Paris : Le Seuil, 1997. •  POE, Edgar Allan. Eureka : A Prose Poem. Oxford : Benediction Classics, 1848. •  TROPP, Eduard A. Alexander A. Friedmann : The Man who Made the Universe

Expand. Cambridge : CUP, 1993. •  WEINBERG, Steven L. The First Three Minutes : A Modern View Of The Origin

Of The Universe. New York : BasicBooks, 1993.

13.1 Le point de départ :

Albert Einstein

Einstein

•  FRC :

RR en 1905 RG en 1915 Albert Einstein 1879-1955

Cosmologies statiques d’Einstein

L’ère de la cosmologie relativiste commence en 1917 avec un papier d’Einstein

La théorie de la RG applicable à l’Univers tout entier.

La croyance en un Univers statique ne paraît pas devoir être mise en doute, Einstein adopte tout naturellement l’hypothèse d’un

univers homogène et isotrope, de densité constante dans l’espace et le temps.

L’explication cosmologique actuelle :

La théorie du

Big Bang

en un raccourci schématique

Notre univers est en expansion à partir d’une phase dense et chaude

Cette phase initiale a eu lieu voilà environ 14 milliards d’années

son observation dévoile l’évolution des galaxies

Notre univers est en expansion à partir d’une phase dense et chaude Cette phase initiale a eu lieu voilà environ 14 milliards d’années

La vitesse de la lumière étant finie, observer dans l’Univers

des objets de plus en plus lointains revient à utiliser cet Univers

comme la plus fantastique machine à remonter le temps

Existe-t-il des preuves observationnelles

qui corroborent

la théorie du Big Bang ?

13.2 Les trois pères fondateurs

du Big Bang : Alexandre Friedmann,

Georges Lemaître, George Gamow

Les créateurs du Big Bang Développements de trois théoriciens aux intuitions géniales : Alexandre Friedmann (1888-1925) 1922 - 1925 Georges Lemaître (1894-1966) 1925 - 1931 George Gamow (1904-1968) 1948 Ce sont les trois véritables pères du Big Bang

Friedmann

•  FRC :

fondateur de la cosmologie non statique A. Friedmann 1888-1925

Un étudiant extrêmement brillant en mathématiques pures et appliquées

talentueuse volée à l’Université de Saint-Petersbourg comprenant entre autres V. V. Bulygin, M. F. Petelin, V. I. Smirnov, Y. D. Tamarkin

« A. A. Friedmann had a real talent for mathematics, but he was not satisfied solely with the study of the mathematical world of numbers, space and functional relations between them. The world studied by theoretical and mathematical physics was not sufficient for him neither. His ideal was to observe the real world and create a mathematical apparatus which would allow us to formulate the laws of physics with adequate generalization and depth, and then, to predict new laws to be confronted with observations. He chose the study of the atmosphere which, according to him, is an immense laboratory for which mathematics has prepared a method of study in the form of potential theory. » A. F. Gavrilov’s reminiscences in A.A. Friedmann biography by E.A. Tropp, V.Y. Frenkel, and A.D. Chernin In 1913, A.A.F. joins the Main Physical Observatory in meteorology in Pavlovsk

L’Univers avant Friedmann

temps

facteur échelle

Les 3 familles de modèles non statiques de Friedmann

•  FRC :

0 < Λcrit < Λ 0 < Λ < Λcrit Λ < 0

Expansion de l’univers (RG)

k = –1, 0, +1 pour un univers ouvert, plat, fermé

R(t) dépend de 3 termes: -terme lié à la matière -constante cosmologique -terme lié à la courbure

évaluation cette équation de Friedman à l’époque présente et division par H02 €

H 2 ≡˙ R R#

$ %

&

' (

2

=8πG

3ρm +

Λ3−

kR2

€

Ωm ≡8πG3H0

2 ρm0 ΩΛ ≡Λ3H0

2 Ωk ≡ −k

R02H0

2

€

1=Ωm +ΩΛ +Ωk

€

⇒ Ωtot ≡ Ωm +ΩΛ =1−Ωk

Lemaître

•  FRC :

« Il y avait deux voies pour parvenir à la vérité et j’ai décidé de les emprunter toutes les deux » abbé et astrophysicien père du Big Bang Georges Lemaître 1894-1966

L’œuvre de Lemaître construite en 2 phases

•  Retrouve les solutions cosmologiques non statiques 1925

•  « Un Univers homogène de masse constante et de rayon croissant, rendant compte de la vitesse radiales des nébu- leuses extragalactiques » Donne un sens physique aux observations de Vr en les interprétant comme un indice d’un Univers en expansion. 1927

•  Univers primordial de très grande densité → Big Bang

Modèles de Lemaître d’Univers non statiques Génie de Lemaître

• 1931 Nature 127 706 « The beginning of the world from the point of view of quantum theory » Nouveauté radicale: lie la structure à grande échelle de l’Univers à la nature intime des atomes, autrement dit, lie la physique de l’infiniment grand à celle de l’infiniment petit.

Einstein met beaucoup de temps a accepter l’idée d’un Univers en expansion

voir ces deux commentaires

Au sujet de Friedmann : Après le premier papier de Friedmann de 1922, Einstein publie une brève note prétendant avoir trouvé une erreur, mais lorsqu’il s’avère que c’est lui, Einstein, qui commet une erreur, il écrit en 1923 : « […] les équations du champ admettent […] des solutions dynamiques […] auxquelles il est à peine possible d’attribuer une signification physique. » Au sujet de Lemaître : En 1927, lors d’une conservation entre Einstein et Lemaître, le premier rejette les solutions d’Univers en expansion, comme physiquement inacceptables, et dit au second : « Vos calculs sont corrects mais votre physique est abominable. »

Hubble

•  FRC :

dévoile la nature réelle des nébuleuses : extragalactiques 1925-1929 Edwin Hubble 1889-1953

Messier 31 ≡ galaxie d’Andromède

en 1925, 1926, 1929 Hubble fait passer 3 objets du rang de nébuleuse locale à celui de système stellaire extragalactique « Cela confirme la théorie des Univers-îles »

Hubble

•  FRC :

détermine la loi de proportionnalité entre la vitesse de récession et la distance Edwin Hubble 1889-1953

univers en expansion: toutes les galaxies s’éloignent de toutes les galaxies Loi de Hubble

•  FRC :

Loi de Hubble 1929

v = H0 d Hubble retrouve la loi de proportionnalité entre la vitesse de récession et la distance publiée par Lemaître en 1927

Hubble Space Telescope has found what is likely to be the most distant and ancient galaxy ever seen, whose light has taken 13.2 billion years to reach us ( z ~ 10).

Hubble Space Telescope has found what is likely to be the most distant and ancient galaxy ever seen, whose light has taken 13.2 billion years to reach us ( z ~ 10).

Candidate galaxy UDFj-39546284

L’expansion de l’Univers mesurée via les vitesses radiales

des galaxies (1929) :

première preuve observationnelle du Big Bang

Gamow véritable lancement de la théorie du Big Bang formation d’atomes : - durant les premières minutes du BB? - de façon continue dans les étoiles? mais le mystère de l’abondance de l’hélium primordial n’est expliqué que par la théorie du Big Bang (1964)

George Gamow 1904-1968

Nucléosynthèse cosmologique

Durant les 20 premières minutes de l’évolution de l’univers, lors des phases initiales denses et chaudes,

des éléments tels que le deutérium, l’hélium-3, l’hélium-4 et le lithium-7

ont atteint des abondances qui ne peuvent pas être le résultat

des réactions nucléaires à l’intérieur des étoiles

La nucléosynthèse cosmologique seule explique les abondances

des éléments légers, l’hélium,… (1964) :

deuxième preuve observationnelle

du Big Bang

Le rayonnement fossile à 3 K fond diffus cosmologique

•  Friedmann 1922 Univers non statique •  Lemaître 1925 Univers initialement très dense •  Gamow et al. 1948 Univers initialement très chaud

En 1948, Alpher et Herman poursuivent les calculs de Gamow :

ils prédisent qu’une radiation résiduelle devrait être perçue aujourd’hui sous la forme

d’un rayonnement de « corps noir » refroidi par l’expansion à la température de 5 K

Les spectres de corps noirs de différentes températures

•  FRC : Loi de Planck 1900

stellar black body

•  FRC :

une courbe de corps noir à T = 5350 K ajuste raisonnablement bien le spectre d’une étoile

observations

modèle

Le spectre du fond diffus cosmologique fournit le corps noir le mieux mesuré

•  FRC : une courbe de corps noir à T = 2.725 K ajuste parfaitement le spectre de l’Univers COBE 1990 Mather et al. Nobel 2006

observations

modèle

T = 2.725 ± 0.002 K

Notre univers était plus chaud dans le passé T = 9,15 K à z = 2,42 T0 = 2.725 K à z = 0

Srianand, Petitjean, Ledoux, 2000 et 2008, A&A, 482, L39

l’observation de l’évolution du CMB dévoile une augmentation de sa température

Differential Microwave Radiometer DMR a microwave instrument that would map variations (or anisotropies) in the CMB

PI : George Smoot

resolution = 7 degrees Projection de Karl Mollweide 1805

The detailed, all-sky picture of the infant universe created from nine years of WMAP data. The image reveals 13.77 billion year old temperature fluctuations (shown as color

differences) that correspond to the seeds that grew to become the galaxies. The signal from the our Galaxy was subtracted using the multi-frequency data.

This image shows a temperature range of ± 200 microKelvin.

resolution = 0.3 degrees

Planck 2013 : le rayonnement fossile le signal cosmologique d’arrière-plan

resolution = 0.08 deg = 5 arcmin

amélioration de la résolution angulaire

spectre de puissance de Planck

grandes échelles petites échelles

spectre de puissance de WMAP

grandes échelles petites échelles

spectre de puissance de WMAP

Ωtot= 1

Ωm

grandes échelles petites échelles

soutient fortement la théorie dite d’inflation

L’existence du fond de rayonnement diffus cosmologique

avec un spectre de corps noir à la température prédite (1965) :

troisième preuve observationnelle

du Big Bang

13.3 Les trois preuves observationnelles

du Big Bang

Durant la seconde moitié du 20e siècle la cosmologie est devenue une science quantitative

fruit des constributions des quatre disciplines: mathématiques, astronomie, physique, chimie

(i) l’expansion de l’Univers (1929)

(ii) la nucléosynthèse cosmologique (1964) (iii) le fond de rayonnement diffus cosmologique (1965)

des faits observationnels acquis

Toutes les contraintes observationnelles

éliminent tous les modèles

d’Univers stationnaires pour favoriser

les modèles d’Univers évolutifs du type Big Bang

Les contraintes observationnelles acquises durant ces deux dernières décennies

confirment le paradigme du Big Bang

•  Fond de rayonnement diffus d’origine cosmologique (COBE, WMAP) CMB

•  Structure à grande échelle de la distribution des galaxies (SDSS, 2dF) LSS

•  Relation distance-luminosité des supernovae (SCP, SLS) SN Ia

Notre univers est en expansion accélérée à partir d’une phase dense et chaude

Cette phase initiale a eu lieu voilà environ 14 milliards d’années

Un univers en expansion accélérée

Cobe WMAP

COBE-DMR 1992 FDC à 53 GHz

Smoot et al. Nobel 2006

Fluctuations de ~ 30 µK autour de la température moyenne 2.725 K δT/T ~ 10-5

Ces variations en température impliquent des variations en densité WMAP 2003, 2006 FDC à 53 GHz

Fluctuations prédites par Sachs & Wolfe (1967)

Planck 2013 : le rayonnement fossile le signal cosmologique d’arrière-plan

resolution = 0.08 deg = 5 arcmin

2dFGRS

Formation de structures à grandes échelles via des instabilités gravitationnelles

Univers homogène et isotrope

Simulations du consortium Virgo

SCDM

ΛCDM

z = 0 z = 1 z = 3

Les structures à grandes échelles offrent des tests discriminants des différents modèles cosmologiques

Voir le site web : http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/

Simulations cosmologiques LASTRO-EPFL

Voir le site web : http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/

Pommepie

inconnu

connu

23 % Cold Dark Matter

4 % Atoms

ΩCDM

Ωb

avant 1998

Pommepie

inconnu

connu

96 % Cold Dark Matter

4 % Atoms

ΩCDM

Ωb

avant 1998

Pommepie inconnu inconnu

connu

73 % Dark Energy

23 % Cold Dark Matter

4 % Atoms

ΩCDM

ΩΛ

Ωb

1) ΩCDM matière sombre (attractive) 2) ΩΛ énergie sombre (répulsive)

avant le satellite Planck après le satellite Planck

Deux très grandes inconnues

•  FRC : Seuls environ 4 % de la matière-énergie dans l’Univers sont bien compris: les atomes dont

nous sommes constitués.

Les 96 % restants échappent encore à notre compréhension…

Un univers en expansion accélérée sous l’effet répulsif de l’énergie sombre

Voilà 80 ans environ que le paradigme

d’un Univers évolutif, ayant vécu une phase très chaude et très dense,

est confronté aux observations de plus en plus précises,

quantitatives, non plus qualitatives : Le Big Bang offre actuellement

la meilleure explication scientifique de ces observations contraignantes

L’homme s’est trouvé différentes approches pour répondre à ces questions :

Les arts

Michelangelo Buonarroti (1475-1564), Chapelle Sixtine, Roma, 1508-1512

Différents modèles d’Univers vont permettre ou non l’apparition lente de la vie

temps

facteur échelle

14

Différents modèles d’Univers vont permettre ou non l’apparition lente de la vie

14

La vie ne peut se développer dans un univers que si ses

conditions initiales le permettent

temps

facteur échelle

Malgré quelques erreurs, l’essentiel est-il juste ? Abraham Ortelius, Carte du monde, 1570

Observation des particules élémentaires: LHC Observation des particules élémentaires: LHC

CERN-LHC-ATLAS in operation from 2008 on

« Ce qu’il y a de plus incompréhensible au sujet de l’Univers,

c’est qu’il semble compréhensible »

Albert Einstein (1879-1955)

Albert Einstein Out of my late years Philosophical Library New York 1950

Admirer (arts) Comprendre (sciences)

La Cène ou Le dernier repas Leonardo da Vinci (1452 – 1519) Santa Maria delle Grazie, Milano, Italia (1495 – 1498)

Deux questions essentielles

De la vie ailleurs que sur Terre ?

L’Univers ? Origine du Big Bang ? Nature de la matière sombre ? Nature de l’énergie sombre ?

D’où venons-nous ? Que sommes-nous ? Où allons-nous ?

Paul Gauguin - 1898 - Museum of Fine Arts - Boston

D’où venons nous Que sommes nous Où allons nous