Origines astrophysiques

Transcription

1 Origines astrophysiques Cosmologie et Univers Stéphane Paltani

2 Cosmologie et Univers Origine de la cosmologie Cosmologie physique Composition de l Univers Origine des structures Destin de l Univers

3 Cosmologie et Univers Origine de la cosmologie Cosmologie physique Composition de l Univers Origine des structures Destin de l Univers

4 Évolution de l Univers L Univers est en expansion ; sa vitesse actuelle d expansion la constante de Hubble H 0, 70 km s -1 /Mpc 20 km s -1 /Mal L évolution passée et future de l Univers dépend de la densité d énergie de l Univers par rapport à la densité critique, W

5 Lumière

6 Le rayonnement diffus cosmologique Penzias et Wilson, Prix Nobel de Physique 1978

7 Le rayonnement diffus cosmologique Rayonnement homogène et isotrope à un niveau de 1/

8 Température de l Univers Le spectre du rayonnement électromagnétique a une forme de corps noir, caractérisé par une température précise La température diminue proportionnellement à la taille de l Univers, et vaut actuellement 2.73 K, soit -270,4 C Prix Nobel de Physique 2006 pour Mather et Smoot

9 Matière baryonique Les baryons sont (essentiellement) les protons et les neutrons, qui constituent les noyaux des atomes Les électrons (des leptons) sont restent fortement associés aux protons, mais sont 2000x plus légers

10 Matière baryonique Toute la masse visible de l Univers est constituée de baryons (plus les électrons, mais de faibles masses) Gaz interstellaire/intergalactique Étoiles Planètes On peut déterminer la masse des baryons en comptant les étoiles et galaxies

11 Amas de galaxies Amas de Coma Plus de 1000 galaxies Dispersion des vitesses ~1000 km/s

12 Masse de l amas de Coma En unité solaire: 1 L 1 M En additionnant toute la luminosité de Coma, on obtient: M Lum = 3x10 13 M

13 Masse dynamique des amas Le théorème du viriel impose, pour une situation en équilibre, une relation entre énergies cinétique et potentielle: E C,Tot = 1 2 E P,Tot On peut en déduire une estimation de la masse totale: M tot = 2 R tot v2 G Pour Coma, R tot 6 Mal et <v 2 > (1000 km/s)2 On obtient M tot M 100 x M Lum

14 XMM-Newton L amas de Coma en Rayons X L amas est rempli de gaz chaud (~ K), qui émet des rayons X Sa masse est M

15 Bilan de masse Bilan de masse de Coma: Étoiles (Visible): 3x10 13 M Gas (Rayons X): 2x10 14 M Masse totale (?): 1.3x10 15 M La masse des amas est dominée par une masse invisible, qui n apparaît à aucune longueur d onde La masse invisible, la «matière noire», représente environ 85 % de tou de toute la masse

16 Qu est-ce que la matière noire?

17 Nucléosynthèse primordiale 10 9 K 3000K 3K Dans le passé, l Univers et plus dense et plus chaud Quand il était ~10 9 x plus petit (100s après le big bang), sa température était semblable à celles au coeur d une étoile En fonction de la densité des protons et neutrons, des noyaux de deutérium, tritium, hélium et lithium sont créés

18 Nucléosynthèse primordiale 10 s 20 min après le big bang La densité de matière normale (baryonique) n'est que de 2-3 % de tou de la densité critique

19 Qu est-ce que la matière noire

20 Y a-t-il vraiment de la matière noire?

21 Lentilles gravitationnelles

22 Carte de masse des amas par lentilles gravitationnelles

23 L amas du Boulet

24 Le diagramme de Hubble Les supernovas de type Ia sont des explosions extrêmement lumineuses d étoiles effondrées (étoiles à neutron) qui accrètent trop de masse Si on peut mesurer leurs distances, on peut déterminer la constante de Hubble

25 Accélération de l expansion Les supernovas de type Ia sont légèrement moins brillantes que prévu Cela peut être l effet d une accélération de l expansion de l Univers due à la constante cosmologique Prix Nobel de Physique 2011

26 Énergie noire La constante cosmologique n a pas d explication physique : Elle peut valoir tout ce qu on veut Son introduction dans l équation peut aussi prendre la forme d une densité d énergie présente partout dans l Univers : l énergie du vide L énergie du vide explique l apparition de paires particulesantiparticules virtuelles, prédite par la physique quantique Mais le calcul quantique donne une quantité d énergie fois trop grande!!!

27 Pression de l énergie noire La constante cosmologique correspond à un état où la densité d énergie est constante Si l univers change de taille a a+da : Mais DU=-PDV, de sorte que : Donc : DU =D(ρc 2 k a 3 )=ρc 2 k D a 3 D U=ρc 2 k D a 3 = P k D a 3 P= ρ c 2 L énergie noire a une pression négative!

28 Différents types d énergie On ajoute tous les différents type de densité d énergie : W M : densité d énergie totale de la matière ~ a -3 WB : densité d énergie de la matière baryonique ~ a -3 W L : densité d énergie du vide ~ a 0 W R : densité d énergie du rayonnement ~ a -4 W T : densité d énergie totale = W M +W L +W R 1

29 Modèles avec constantes cosmologiques/ énergie noire

30 Paramètres cosmologiques

31 L Univers obscur