De la cosmologie avant toute chose

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1 De la cosmologie avant toute chose Alain Bouquet Laboratoire Astroparticule et Cosmologie - Université Paris 7 muséecurie

2 De quoi pourrait-on parler? 1. Introduction 2. Espace et temps 3. Dynamique du big bang 4. Thermodynamique du big bang 5. Matière noire 6. Formation des structures (1) 7. Formation des structures (2) 8. Fond de rayonnement microondes 9. Transitions de phase et inflation 10. Gravité quantique Cosmologie - Alain Bouquet 2/60

3 Brève bibliographie J. Silk Une brève histoire de l univers (Odile Jacob 2003) P. Peter, J.P. Uzan Cosmologie primordiale (Belin 2005) J.P. Luminet L univers chiffonné (Fayard 2001) J. Rich Fundamentals of cosmology (Springer 2001) K.S. Thorne Trous noirs et distorsions du temps (Flammarion 2001) P. Coles, F. Lucchin Cosmology (Cambridge University Press 2002) M. Lachièze-Rey Initiation à la cosmologie (Dunod 1999) J. Silk Le big bang (Odile Jacob 1997) A. Liddle Introduction to modern cosmology (J. Wiley & Sons 1999) P.J.E. Peebles Principles of physical cosmology (Princeton University Press 1993) J.P. Luminet Friedmann, Lemaître, essais de cosmologie (Le Seuil 1997) E.W. Kolb, M.S. Turner The early universe (Addison-Wesly 1993) S. Weinberg Les 3 premières minutes de l univers (Le Seuil 1988) T. Padmanabhan Structure formation in the universe (Cambridge University Press 1993) : cosmologie / cosmology S. Weinberg Gravitation and cosmology (J. Wiley & Sons 1972) Cosmologie - Alain Bouquet 3/60

4 La cosmologie a bientôt cent ans «Science de l univers dans son ensemble» en pratique, l univers à grande échelle (>10 Mpc) Fondée par Albert Einstein en 1917 par un modèle finalement faux Théorie du big bang développée par Alexandre Friedmann de 1922 à 1924 et par Georges Lemaître de 1925 à 1927 Histoire chaotique tenue pour morte à plusieurs reprises toujours d actualité Cosmologie - Alain Bouquet 4/60

5 Pourquoi la cosmologie? Par désoeuvrement Par curiosité Parce que cela permet de toucher à toutes les branches du savoir Parce que cela ne sert à rien Parce que cela fait rêver les enfants et votre voisin Parce que c est bien payé Pour savoir dans quel monde on vit Mon erreur a été de m intéresser à la cosmologie pour de l argent Cosmologie - Alain Bouquet 5/60

6 La cosmologie n est pas une théologie Modèle cosmologique Théorie de la gravité Espace-temps Contenu matériel Observations directes Décalage spectral Comptage de galaxies Tests «cosmologiques» Observations indirectes Abondances Ages, densités Fond de rayonnement d après Peter et Uzan Cosmologie - Alain Bouquet 6/60

7 Nous vivons l âge d or de la cosmologie Les données viennent de sources de plus en plus variées Elles sont de plus en plus précises XMM Elles confirment la théorie du big bang dans les grandes lignes dans les détails Cosmologie - Alain Bouquet 7/60

8 La théorie du big bang L univers est identique en tout point de l espace La gravitation est la force dominante Univers en expansion se refroidissant Décalages vers le rouge Abondance des éléments légers Fond de rayonnement millimétrique Cosmologie - Alain Bouquet 8/60

9 Brève histoire de l univers: expansion et refroidissement Libération de la lumière Nucléosynthèse Formation du Formation desystème la Voiesolaire lactée Inconnu CMB 90% d hydrogène et 9% d hélium Instant zéro 1 minute ans 500 millions d années 9 milliards d années 14 milliards d années Cosmologie - Alain Bouquet 9/60

10 L expansion de l univers Cosmologie - Alain Bouquet 10/60

11 Abondance des éléments dans l univers 90% des noyaux sont de l hydrogène 9% des noyaux sont de l hélium Cosmologie - Alain Bouquet 11/60

12 Fond de rayonnement cosmologique Rayonnement radio millimétrique de corps noir parfait Cosmologie - Alain Bouquet 12/60

13 Fond de rayonnement cosmologique Rayonnement pratiquement isotrope (à 10-5 près) Cosmologie - Alain Bouquet 13/60

14 La relativité générale est un jeu d enfant Masse et énergie déforment l espace et le temps Courbure = densité d énergie Courbure = courbure spatiale + courbure temporelle (expansion) Cosmologie - Alain Bouquet 14/60

15 Un jeu d enfant Courbure = Energie Courbure spatiale + courbure temporelle = Energie de la matière + énergie du vide + constante cosmologique Expansion Varie avec l expansion Constante Varie avec l expansion Constante Courbure spatiale + 1 = Energie de la matière + énergie du vide Courbure temporelle courbure temporelle courbure temporelle - W k + 1 = W m + W L Cosmologie - Alain Bouquet 15/60

16 Triangle cosmique W m + W L + W k = 1 Quelque soit le point à l intérieur du triangle équilatéral, la somme des trois distances reste constante et égale au coté du triangle Toute solution cosmologique peut ainsi être représentée par un point dans ce triangle W L : Energie noire ou constante cosmologique Cosmologie - Alain Bouquet 16/60

17 Le modèle de concordance Chaque observation cosmologique mesure une certaine combinaison des paramètres Courbure nulle Energie noire 70% Matière 30% Rayonnement cosmologique Amas et galaxies Supernovae W L : Energie noire ou constante cosmologique Cosmologie - Alain Bouquet 17/60

18 Etonnant inventaire Matière noire 25% Gaz chaud 4% Energie noire 70% Etoiles & planètes 0.5% Neutrinos 0,5% Lumière 0,05% Cosmologie - Alain Bouquet 18/60

19 Energie noire et matière noire Energie noire Matière noire 70% du bilan énergétique 25% du bilan énergétique répartie de façon extrêmement uniforme dans l univers répartie à peu près comme les étoiles, mais en plus diffus propriétés opposées à celles de la matière ordinaire (répulsion gravitationnelle) propriétés analogues à la matière ordinaire, quoique elle interagisse moins ressemble beaucoup à la constante cosmologique d Einstein longue liste de candidats rejetés liste encore plus longue de candidats imaginés Cosmologie - Alain Bouquet 19/60

20 95% d inconnu, est-ce raisonnable? Oui! Non! Rien n interdit que la matière connue soit minoritaire la Terre n est pas un lieu privilégié dans l univers ni le Soleil ni la Voie lactée Aucune indication directe ni de la matière noire ni de l énergie noire Toujours via des effets gravitationnels sur la matière visible Les autres prédictions de la théorie du big bang se sont vérifiées Comprenons-nous réellement si bien la gravitation? Pourquoi pas celle-ci? Cosmologie - Alain Bouquet 20/60

21 Ce qu on ne comprend pas L origine de la matière ordinaire (baryonique) L origine et la nature de la matière noire L origine et la nature de l énergie noire L origine des structures (amas, galaxies, étoiles ) L origine de l univers Bref, si on sait (à peu près) comment les choses se sont passées, on ne sait pas du tout pourquoi elles se sont passées comme çà! Cosmologie - Alain Bouquet 21/60

22 Méditons sur les mystères de l univers Cosmologie - Alain Bouquet 22/60

23 Quelles sont nos sources d information? Ce que nous allons chercher nos voyages dans l espace sont limités à la Lune, et au système solaire proche Ce que nous recevons des pierres sur la tête des rayons cosmiques de toute énergie (surtout faible) et de provenance indécise des neutrinos (pas facile à détecter!) des ondes gravitationnelles (dont l existence n est connue qu indirectement) de la lumière visible infrarouge et radio rayons X et gammas Cosmologie - Alain Bouquet 23/60

24 Rayons cosmiques de très haute énergie n Observatoire Auger Cosmologie - Alain Bouquet 24/60

25 Observatoire de neutrinos Antarès Cosmologie - Alain Bouquet 25/60

26 Ondes gravitationnelles Observatoire VIRGO Cosmologie - Alain Bouquet 26/60

27 Transmission atmosphérique Cosmologie - Alain Bouquet 27/60

28 Observatoires en optique Cosmologie - Alain Bouquet 28/60

29 Spectroscopie Raies caractéristiques Cosmologie - Alain Bouquet 29/60

30 Le ciel en radio (73 cm, 408 MHz) Cosmologie - Alain Bouquet 30/60

31 Le ciel en radio (1 mm, 320 GHz) Cosmologie - Alain Bouquet 31/60

32 Planètes, étoiles et galaxies Cosmologie - Alain Bouquet 32/60

33 Le ciel en rayons X n Rosat Cosmologie - Alain Bouquet 33/60

34 Les sources de lumière Cosmologie - Alain Bouquet 34/60

35 Objets dans l univers d après P. von Ballmoos Cosmologie - Alain Bouquet 35/60

36 Jacques Colin (OCA) Les échelles dans l univers Cosmologie - Alain Bouquet 36/60

37 Galaxies en 3 dimensions Sloan Digital Sky Survey Cosmologie - Alain Bouquet 37/60

38 La matière noire 30% du bilan d énergie correspond à de la matière (attractive, nonrelativiste) Multiples indices indirects de cette matière noire Mais le fond de rayonnement microondes (CMB) ainsi que la nucléosynthèse interdisent plus de 4 à 5% de matière baryonique De quoi est formé le reste? dans les galaxies dans les amas de galaxies à plus grande échelle (?) nécessité pour la formation de galaxies par le mécanisme d instabilité gravitationnelle Cosmologie - Alain Bouquet 38/60

39 Les amas aux rayons X DSS Chandra Amas Abell 2029 en optique : les galaxies Amas Abell 2029 en rayons X : le gaz chaud Cosmologie - Alain Bouquet 39/60

40 Lentilles gravitationnelles Amas de galaxies Abell 1689 (HST) Cosmologie - Alain Bouquet 40/60

41 Reconstruction de la lentille Yannick Mellier (IAP) Cosmologie - Alain Bouquet 41/60

42 Supernovae Une supernovae est une étoile qui explose: pendant quelques semaines, elle est presque aussi brillante que la galaxie-hôte. On la détecte en comparant deux images prises à quelques semaines d intervalle : Cerro Tololo / Adam Riess On connaît sa luminosité absolue, on mesure sa luminosité apparente : la comparaison donne la distance Cosmologie - Alain Bouquet 42/60

43 Supernovae et expansion La variation de la luminosité apparente (distance) en fonction du décalage vers le rouge indique si l expansion ralentit ou accélère Luminosité apparente Décalage vers le rouge Cosmologie - Alain Bouquet 43/60

44 L énergie noire Courbure spatiale + courbure temporelle = Energie de la matière + énergie du vide Rythme d expansion Accélération de l expansion : domination de l énergie du «vide» Présence d une vraie constante cosmologique Domination du «vide» des champs connus Domination du «vide» d un nouveau champ, par ex. quintessence Cosmologie - Alain Bouquet 44/60

45 La constante cosmologique La forme la plus générale de l équation Courbure = Energie (équation d Einstein) contient une constante a priori arbitraire, la constante cosmologique. Sa présence modifie la loi de gravitation de Newton, en ajoutant à la force attractive (qui diminue avec la distance entre les masses) une force répulsive qui augmente avec la distance. Comme ceci n est pas observé, elle ne doit devenir importante que sur des distances plus grandes que la taille des amas de galaxies. Son effet est donc purement cosmologique : elle (sur)compense à très grande échelle l attraction mutuelle des masses. Cosmologie - Alain Bouquet 45/60

46 Une constante variable Coïncidence : Sa valeur a juste la valeur nécessaire pour qu elle devienne importante précisément aujourd hui. A quoi devons-nous ce privilège? Constante cosmologique Energie du vide Rigoureusement constante Normalement constante Cosmologie - Alain Bouquet 46/60

47 Méditons sur les mystères de l univers Cosmologie - Alain Bouquet 47/60

48 Le fond de rayonnement cosmologique Cosmologie - Alain Bouquet 48/60

49 Fond de rayonnement cosmologique Cosmologie - Alain Bouquet 49/60

50 Analyse du CMB Des anisotropies on extrait le spectre de puissance Cosmologie - Alain Bouquet 50/60

51 La position du premier pic indique la courbure de l espace Cosmologie - Alain Bouquet 51/60

52 Les détails que nous sommes Si l univers est homogène mais pas trop les inhomogénéités vont s accentuer et la matière se concentrer de plus en plus les étoiles et les galaxies peuvent ainsi apparaître peu à peu puis se forment les planètes, la vie Cosmologie - Alain Bouquet 52/60

53 Naissance des structures Cosmologie - Alain Bouquet 53/60

54 Vers l origine Ce qui se passe après la première seconde est (raisonnablement) compris Mais on ne comprend pas pourquoi l univers est tel qu on le voit Et on ne sait pas extrapoler au-delà du «temps de Planck» Cosmologie - Alain Bouquet 54/60

55 Pourquoi quantifier la gravité? Pourquoi pas une théorie classique de l espace-temps avec des champs quantiques de matière et G = <T > Gravitation semi-quantique rayonnement Hawking des trous noirs rayonnement Unruh dans un référentiel accéléré différence irréductible avec les 3 autres interactions théorie du big bang chaud seules les v.e.v. des champs de matière sont déterminés Quantifier l espace-temps? échelle «naturelle» de Planck L Planck = [hg/c 3 ] 1/2 = m => cut-off naturel des divergences UV de la théorie quantique théorie des cordes théorie des boucles L espace-temps est fixé indépendamment de ce qui s y passe Cosmologie - Alain Bouquet 55/60

56 Deux approches (au moins) Quantification covariante Quantification canonique Géométrie non-commutative Etc. Mécanique quantique Opérateurs dans l espace de Hilbert, etc. Newton : force Cordes Gravitation Einstein : géométrie Wheeler- DeWitt Boucles Cosmologie - Alain Bouquet 56/60

57 Boucles et réseaux de spins Une image intuitive mais fausse Les réseaux ne sont pas dans l espace Un volume d espace 2x2x2 Un peu plus correct : 4 4 Chaque ligne est un quantum de surface Chaque nœud est un quantum de volume SO(3) ou SU(2) : Réseau de spins Cosmologie - Alain Bouquet 57/60

58 L espace est une scène de théâtre Newton (+MQ) espace rigide uniforme illimité extérieur Einstein (RG) espace déformé par son contenu Gravité quantique espace inexistant hors de son contenu Le théâtre est illusion Cosmologie - Alain Bouquet 58/60

59 Pistes pour une cosmologie totale (Lee Smolin, Three roads to quantum gravity) Il n existe rien en dehors de l univers système fermé, donc toute description de quelque chose se réfère nécessairement à quelque chose d autre l espace est seulement un ensemble de relations, un espace «vide» est une phrase sans mots On connaîtra plus de choses dans le futur vitesse finie de la lumière : existence d horizons d où existence d assertions indécidables Un seul univers, plusieurs observateurs impossibilité d une théorie quantique de l univers global n'empêchant pas la cohérence des descriptions du monde faites par chaque observateur L univers est formé de processus, non d objets l histoire est importante univers relationnel et causal univers «holographique», univers «automate», etc. Cosmologie - Alain Bouquet 59/60

60 Merci de votre attention Et de votre patience! Cosmologie - Alain Bouquet 60/60