13.7 milliards d’années en 60 minutes:

une brève histoire de la cosmologie moderne

sous l’œil bienveillant d’Albert Einstein

Clément Sire

Laboratoire de Physique Théorique

CNRS & UniversitéPaul Sabatier

L’expérience de Michelson (1881-1905) :

l’é

the

r n

’ex

iste

pa

s !

�La vitesse de la lumièreest une constantec = 299792 km/s

indépendantede la vitesse vde la source : «c + v= c»!

�Les équations de Maxwell(~1864) régissant la propagation des ondes

électromagnétiques ne sont pas invariantes de Galilée

=+

⇓ ⇓⇓⇓

La théorie de la relativitérestreinte (1905) :

le t

em

ps

ab

so

lu n

’ex

iste

pa

s !

Lorentzet Poincaréécrivent les équationsmais ne les prennent pas au sérieux…

�Le temps est propre àun référentiel

�Les distances et les durées dépendent de la vitesse de l’observateur

�Les vitesses ne s’ajoutent pas linéairement

�Une particule a une énergie propre E = mc2

mais Einstein oui !

�Un muon µa une durée de vie apparente plus longueàgrande vitesse (v~c)

qu’au repos: t’= γ γγγt, où

γ γ γ γ = (1-v2/c2)-1/2

�Lorsqu’on accélère àun électron, sa vitesse ne dépasse jamais c, mais son

énergie augmente quand même (E = γ γγγmc2= mc2+ ½mv2…si vn nnnc)

�Réacteurs et bombes nucléaires…

Preuves expérimentales :

Galilée:'

; '

xxvtt

t=

−=

La théorie de la relativitégénérale (1915) :

l’e

sp

ac

e-t

em

ps

es

t c

ou

rbe

!

�Équivalence entre force gravitationnelleet

accélération (

pri

ncip

e d

’éq

uiv

ale

nce f

ort)

F = ma = GMm/r2

«Pendant les jours qui suivirent (ma découverte),

j’étais bercépar une joyeuseexcitation», A. Einstein

�Un corps «en mouvement libre»suit le chemin le

plus court de l’espace-temps(géodésique).

La lumière est aussi soumise àcet effet

�L’espace-temps est courbépar les masses, ce qui

influe donc sur la trajectoire des corps voisins

La théorie de la gravitation de Newton doit être adaptée au principe de relativité

�Un rayon lumineux approchant le soleil voit sa

trajectoire fléchiepar un angle de 0.00048°

(confirmédès 1919)

�Rotation du grand axe de l’ellipse de mercure

non due aux effets newtoniens : 0.012°par siècle

�Effet de lentille gravitationnelleprévu dès 1937

(F. Zwicky) et observédepuis 1979

Quelques preuves expérimentales :

Conséquences cosmologiques de la relativitégénérale

�En 1917, Einstein adapte le modèle de W. De Sitter : il introduit la

constante cosmologique Λ ΛΛΛpour obtenir un univers stationnaire

�En 1922, A. Friedmann propose une solution ou l’univers est soit en

expansionsoit périodique: accueil glacialde la part d’Einstein…

�En 1927, le chanoine belge G. Lemaître arrive àla conclusion que

l’univers est en expansion àpartir d’un «atome primitif»

�En 1929, E. Hubble observe un décalagesystématique de la

lumière émise par des galaxies vers le rouge (Slipher 1912)

v = H

H HHHd: deux objets lointains

s’éloignentl’un de l’autre avec

une vitesse proportionnelle àleur

distance

«La plus grosse erreur de ma vie»

(pas si sûr...)

Les données du modèle de Friedmann-Lemaître

�La courbure intrinsèquede l’espace k=0,-1 ou 1:

les observations s’accordent sur un univers plat(k=0)

�Les proportionsrelatives des sources d’énergie

(matière, rayonnement, autres…

) àun temps donné.

Un univers plat impliquela connaissance de sa

densitéd’énergie totale

Ce modèle, développéet enrichi par de nombreux

physiciens, a conduit au modèle standard:

LE BIG BANG

LE BIG BANG

LE BIG BANG

LE BIG BANG

(sarcasme de Fred Hoyle en 1950 sur la BBC…)

�10-43 s (temps de Planck) :on ne sait rien avant…

�10-35 -10-32 s :inflation; naissance de la matière

�10-6s :apparition des protons et neutrons(confinement des quarks)

�10-5s :«disparition»des électrons(e+e+

→ν)

�1 min :nucléosynthèse primordiale: création de He et D…

�380000 ans :recombinaison ; atomes et libération du «rayonnement fossile»

Le modèle standard du Big Bang

Les succès du Big Bang

�Explique pourquoila nuit est noire !

(Digges, de Chéseaux, Olbers, Poe…)

�Explication del’abondance relative H/He

(75%/25%) et de Li

�Expansion de l’univers et loi de Hubble :

v = Hd

�Rayonnement fossile à-270°C prédit par

G. Gamow (-270.275°C : WMAP 2008)

�…

Les points «noirs»de la théorie du Big Bang

�La matière visiblene fournit que ~4% de l’énergie

connue de l’univers !

�La vitesse radiale des galaxies spirales est anormale

�L’énergie cinétique >> énergie gravitationnelle

�Observation des «Bullet clusters»

Introduction de la M

ATIE

RE N

OIR

E(naines rouges ou brunes, MACHO,WIMP super-

symétriques???)

�La masse de la matière noire ne suffit pas (~23% du total)

�L’univers accélère (observations de supernovae, 1998)

Introduction de l’ENER

GIE

NOIR

E(énergie du vide…d’origine quantique ???)

Le retour de la constante cosmologique

Λ ΛΛΛ…

Dernières nouvelles du ciel : le satellite WMAP (2003-2008)

Analyse du rayonnement fossile

�La matière usuellecontribue pour 4.5%de l’énergie totale de l’univers, la

matiè

re n

oir

epour 23%, et l’é

nergie

noir

epour 72.5%

(et cela ne va pas s’arranger avec le temps ! Après 380000 ans : 10% neutrinos,

15% photons, 12% matière usuelle, 63% matière noire…)

�L’âge de l’univers est de 13.7 milliards d’années ; la constante de Hubble

vaut H = 71 ±3 km s-1Mpc-1

�Le scénario de l’inflation semble confirmé, celui de la quintessence infirmé

(théorie alternative àl’introduction de Λ ΛΛΛ).

•Observation d’une région du ciel de 9 fois la taille visible de la

lune (et de 7 milliards d’années lumière de profondeur !) par

Hubble et d’autres télescopes terrestres

•Calcul de la densitéde matière noireen observant plus de

500000 galaxies dont l’image nous arrive déformée par la

présence de matière noire(effets de lentille gravitationnelle)

Dernières nouvelles du ciel (07/01/2007)

Analyse du champ COSMOS observépar Hubble e

t a

l.

(Caltech…/CNRS/CEA)

L’énergie noires’oppose àla gravitéet

ralentit donc la croissance des amas de galaxies

(ici Abell 85à740 M années lumières) au cours

des 7 derniers milliards d’années

Dernières nouvelles du ciel (16/12/2008)

Le satellite NASA Chandra X-ray Observatory

•La théorie du Big Bangprésente un ensemble de succès

impressionnants (même en ce qui concerne ses points

noirs) et sera ànouveau testée par de nouvelles

observations (satellites Fermi en 2008 et Planck de l’ESA

en 2009, XEUS, LSST…).

•La nature exacte de l’énergie noire(énergie d’origine

quantique du vide ?)et de la matière noire(particules

non baryoniques supersymétriques ?)un jour (bientôt ?)

élucidée par la physique des particules (LHC au CERN,

théorie des cordes, supersymétrie…) ???

•Même Einstein peut se tromper…

Ah ben non ?…

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Conclusion

Big Bang

Collisions de 2 galaxies