Cosmologie. Pourquoi une origine? Le Big Bang. l ex pansion de l Univers loi de Hubble plusieurs modèles. chronologie cosmologie observationnelle

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1 Cosmologie Pourquoi une origine? l ex pansion de l Univers loi de Hubble plusieurs modèles Le Big Bang chronologie cosmologie observationnelle 1

2 Calendrier cosmique Avant décem bre 1 Jan. 15x10 9 ans Big Bang 1 Mai. 10x10 9 ans Origine de la Voie Lactée 9 Sept. 4.7x10 9 ans Origine du système solaire 14 Sept. 4.5x10 9 ans Formation de la Terre ~25 Sept. 4x10 9 ans Plus vieux rochers connus 2 Oct. 3.7x10 9 ans Origine de la Vie 9 Oct. 3.5x10 9 ans Plus vieux fossiles (bactéries, algues) ~1 Nov. 2.5x10 9 ans Invention du sexe (par les microorganisme) 12 Nov. 2.1x10 9 ans Plus vieux fossiles de plantes à photosynthèse 15 Nov. 1.9x10 9 ans Règne des eucaryotes (1ere cellules avec noyaux) 2

3 Décembre Dim Lun Mar Mer Jeu Ven Sam 1 1.3x10 9 a. Oxygène dans l atmoph x10 6 a. Premier vers x10 6 a. Règne des invertébrés x10 6 a x10 6 a. Premiers poissons et vertébrés Apparition du plancton x10 6 a. Colonisation des terres par les plantes x10 6 a. Premier insectes, colonisation des terres par les animaux x10 6 a. Premiers amphibiens et insectes volants x10 6 a. Premiers arbres et reptiles x10 6 a. Premiers dinosaures x10 6 a. Premiers mammifères x10 6 a. Premiers oiseaux x10 6 a. Premières fleurs, extinction de masse (75% marines, 22% terrestres) x10 6 a. Extinction des dinosaures dinosaures et oiseaux dominent 30 82x10 6 a. Premiers primates 31 3

4 13h x10 6 ans Apparition des ancêtres des singes et des hommes 22h30 31 Décembre 2.7x10 6 ans Premier Humains 23h00 1.8x10 6 ans Généralisation de l usage des outils en pierre 23h ans Domestication du feu 23h ans Début de la dernière période glaciaire 23h ans Premiers marins s installent en Australie 23h ans Peinture dans les grottes 23h59m ans Invention de l agriculture 23h59m ans Civilisation néolithique, premières villes 23h59m ans Première dynasties sumériennes et égyptiennes. Développement de l astronomie 23h59m ans Invention de l écriture 23h59m ans 23h59m ans Métallurgie du bronze 23h59m ans Métallurgie du fer 23h59m ans 23h59m ans Géométrie euclidienne, astronomie de Ptolémé, empire romain 23h59m ans Chute de Rome, Extension de l islam 23h59m ans Civilisation maya Croisades 23h59m ans Renaissances Emergence des méthodes scientifiques Maintenant : la 1ere seconde de la nouvelle année Développement des sciences, acquisition des moyens de destruction de l espèce humaine, exploration spatiale, recherche d une intelligence extra- terrestre 4

5 Une origine de l Univers? Aristote (IV siècle av. J.- C.) propose un modèle d Univers statique et éternel pérennité des étoiles. trajectoires répétitives des planètes. Newton ( ) découvre avec la loi de la gravitation que les orbites des planètes devraient être instables à cause de leurs interactions mut uelles. il suppose qu une intervention divine permet de conserver les orbites telles qu elles sont. Laplace ( ) se rend compte que les orbites dans le système solaire sont plus stables que ne le pensait Newt on et réfute l hypot hèse divine. Les équations de la relativité générale d Einstein suggèrent un Univers dynamique. Einst ein ( ) ajuste une const ant e cosm ologique qui balance exactement le terme dynamique. Hubble ( ) découvre l expansion des galaxies en L Univers n est pas statique, Einst ein reconnaît son erreur. 5

6 La loi de Hubble Hubble mesure les vitesses radiales de galaxies par décalage Doppler et y observe des céphéides permettant d obtenir leur distance. Il trouve une relat ion linéaire ent re vit esse radiale et distance. Il s agit d une loi empirique qui établit que les galaxies s éloignent d autant plus vite qu elles sont distantes : V = H x d V : vitesse en km/ s d : distance en Mpc H : constante de Hubble 70 km/ s/ Mpc 6

7 Quand le décalage Doppler est d origine cosmologique on l ex prime en terme de redshift qu on note z La formule relativiste doit être utilisée dès z > 0.1 Les galaxies s éloignent de la Voie Lactée mais elles s éloignent surtout les unes des autres. L idée d un Univers en expansion suggère l existence d un début. 7

8 Plusieurs modèles d Univers L expansion de l Univers va- t- elle durer indéfiniment? cela dépend de sa densité. Si l Univers est suffisamment massif, la gravitation va prendre le contrôle et l expansion doit s arrêter pour laisser place à une re- contraction de l Univers (le Big Crunch). on note oméga le rapport entre la densité de l Univers et la densité critique: Ω = ρ / ρ c des résultats récents concluent que l Univers est en 8 accélération!!

9 La relativité générale lie matière et géométrie. On parle d Univers fermé, ouvert, ou plat selon la valeur de la densité par rapport à la densité critique. On pense actuellement que notre Univers est plat, c est- à- dire que Ω = 1. 9

10 Le Big Bang Si l Univers est en expansion alors son passé est nécessairement plus dense et plus chaud. En prenant une vitesse d expansion constante au cours du temps, on peut donner un âge à l Univers : t = d / V = 1 / H = temps de Hubble pour H = 70 km/ s/ Mpc on a t = ans Pour un Univers plat on a les expressions suivantes en fonction du redshift : z λ Ly = 91 nm 100 nm UV 182 nm UV 0.55 µm V 1 µm NIR 91 µm FIR v/ c (%) t (ans) R / R obs T (K)

11 Chronologie du Big Bang s : période de la grande unification environ cm de diamètre, c est- à- dire 10 millions de milliards de fois plus petit qu un atome d hydrogène! sa température est de K la superforce se scinde en 2: la gravitation la force électronucléaire. Celle- ci regroupe les interactions forte et faible. Elle est décrite par la théorie actuelle de la Grande Unification (GUT). 11

12 10-35 s : inflation et séparation des forces K. Entre et s, le volume de l Univers augmente d un facteur alors que dans les 15 milliards d années suivantes, son volume n augmentera que d un facteur C est l inflation. théorie de la grande unification : à ce moment précis se séparent l interaction forte et l interaction électrofaible s : de l inflation à l expansion l Univers (observable actuellement) a la taille d une orange et sa température est de K. Perpétuelle annihilation et matérialisation des quarks et antiquarks. la création initiale des couples particules- antiparticules ne va pas se faire de façon parfaitement symétrique puisqu un petit excédant de matière va apparaître : 1 quark sur 1 milliard est en surplus. 12

13 10-20 s : soupe de particules quarks, électrons et antipart icules s : séparation des forces faibles et électromagnétiques. L Univers possède ses 4 forces fondamentales. la théorie électrofaible prédit l existence du boson de Higgs ainsi que des bosons intermédiaires Z 0, W - et W +. Ces derniers ont été observé avec les masses prédites. Le boson de Higgs n a toujours pas été détecté car il nécessite une énergie de 100 GeV qui sera accessible avec le supercollisionneur de hadrons LHC du Cern, opérationnel en naissance des leptons (électrons, muons, taus et les 3 neutrinos correspondants + leurs antiparticules). T= K, l Univers se refroidit toujours et grossit pour devenir une sphère de 300 millions de kilomètres. de 10-6 à 1s : la matière actuelle T= K, le volume de l Univers est équivalent au système solaire actuel, soit m la baisse de température fait que les quarks n ont plus assez d énergie pour exister seuls, l interaction forte les regroupe en hadrons. C est la naissance des protons et neutrons qui composent la matière actuelle. 13

14 de à 1s : la phase des leptons T= K, 2 ème grande annihilation de matière et d antimatière qui concerne cette fois les leptons. La température étant trop faible pour que les photons forment les leptons, ceux- ci disparaissent en laissant 1 milliardième de matière. Ex it l antimatière de l Univers! la matière est désormais au grand complet, mais la température est toujours trop élevée pour que les atomes puissent se former. L Univers est une boule de masse lumineuse de plasma formé de hadrons et de leptons célibataires. les neutrinos cessent d interagir avec la matière et s en séparent. de 1 s à 3mn : Nucléosynthèse primordiale T= 10 6 K protons et neutrons s assemblent, apparition des premiers noyaux d atomes hydrogène, deutérium, hélium et lithium. La matière se compose alors de 75% d hydrogène, 25% d hélium et des traces de lithium (proportion massique). 99% de la matière actuelle se forme à cette époque. Le 1% restant est constitué de tous les atomes ayant plus de 2 protons dans leurs noyaux qui seront formés lors des réactions thermonucléaires au cœur des futures étoiles à naître 14

15 de 3mn à 2 milliards d années : stabilisation de la mat ière, apparit ion des premières galax ies de 3 mn à ans, baisse d énergie et de la température (T= K), la gravitation crée des différences de densités qui s amplifient et attirent ainsi davantage de matière. de 10 4 à 10 5 ans, l Univers s organise peu à peu en régions plus denses. de 10 5 à 10 6 ans, la formation des atomes commence ans après le Big Bang, les électrons sont capturés par les noyaux d hydrogène et d hélium. Les premiers atomes naissent. Les photons cessent d interagir avec la matière : il y a découplage entre les photons et la matière. L Univers devient transparent et le rayonnement fossile est émis comme un corps noir à 3000 K (2.7 K aujourd hui). La cosmologie observationnelle commence ici! de 1 à 2 milliards d années : apparitions des premières galaxies, les étoiles naissent et commencent à synthétiser des noyaux lourds. formation de notre Galax ie. 15

16 Cosmologie observationnelle Les grandes st ruct ures image infrarouge obtenue avec 1.6 millions de galaxies situées à un z< 0.2. les galaxies de l Univers local sont distribuées sur les surfaces de bulles et le long de filaments. pour comprendre la raison de cette organisation, il faut étudier l évolution des inhomogénéités au cours des âges. 16

17 Les galax ies loint aines champ HDF (Hubble Deep Field) taille de 2.7, 2500 galax ies 10 jours d intégration 17

18 les galax ies infrarouge lumineuses (LIRG) et ultralumineuses (ULIRG) elles rayonnent 90% de leur énergie dans l infrarouge lointain. il s agit souvent de systèmes en interaction, riches en gaz dans lesquels se produisent des flambées de formation stellaire. 18

19 Le fond diffus les plus lointains quasars sont observés à des redshifts d environ z= 6. Les époques plus reculées ne sont accessibles qu au travers du fond diffus. sa mesure requiert une photométrie absolue. Le fond cosmologique à 2.7K, z= 1000 : 19

20 L Univers à z= 1000, soit ans : la théorie sur l inflation est confirmée par l uniformité de la température de l Univers au moment du découplage (au cent millième de degré près). les fluctuations nous montrent que l Univers contient déjà des anisotropies qui sont les précurseurs des structures actuelles. les premiers objets capables de ré- ioniser le gaz se forment 200 millions d années après le Big Bang. Leur nature n est pas confirmée à ce jour. 20

21 Le fond diffus est étudié dans tout les domaines de longueurs d onde. La contamination par des objets au premier plan est toutefois extrêmement difficile à corriger. La contamination provient de : la lumière zodiacale : diffusion et émission thermique par les poussières du système solaire. le milieu interstellaire par diffusion et émission thermique, mais aussi rotation des grains et composantes de grains pour lesquels les propriétés optiques sont mal connues. les étoiles. 21

22 Spectre du fond diffus: le fond diffus contient le fond cosmologique dans le millimétrique. le fond infrarouge lointain : il est émis par le milieu interstellaire des galax ies intégrés sur toutes les époques. le fond infrarouge proche/ optique : il provient de la lumière des étoiles des galax ies intégrées sur toutes les époques le fond X. les incertitudes restent importantes et les valeurs sont encore incertaines. Il semble que le flux provenant des galaxies soit insuffisant pour expliquer le niveaux du fond dans l'infrarouge proche. On pense que le flux manquant provient de la contribution de la 1ère génération d étoiles super- massives qui a précédé la formation des galaxies à z= 10 (soit t= 200 millions d années). les fluctuations nous renseignent sur la nature et l époque des objets responsables du fond diffus. 22

23 Le fond de neutrinos (T= K, t= 1 s) Il existe 5 sources de neutrinos Fusion thermonucléaire dans le Soleil et les étoiles Production humaine dans les accélérateurs de particules et les réacteurs nucléaires Radioactivité naturelle des matières terrestres Rayons cosmiques Big Bang Et après? Ces- derniers forment le fond cosmologique de neutrinos. Ce sont les plus mal connus, on estime leur densités à 300 cm - 3. Il sont émis dés la première seconde 23

24 Le fond d'ondes gravitationnelles (T= K, t= s) VIRGO, inauguré en 2003 LISA, lancement en 2011 ELFI, super- LISA (bras de 3AU) 24

25 «L'entêtement pour l'astrologie est une orgueilleuse extravagance. Nous croyons que nos actions sont assez importantes pour mériter d'être écrites dans le grand- livre du Ciel. Et il n'y a pas jusqu'au plus misérable artisan qui ne croie que les corps immenses et lumineux qui roulent sur sa tête ne sont faits que pour annoncer à l'univers l'heure où il sortira de sa boutique.» Mont esquieu ( ), Mes pensées 25