Nouvel élan de la cosmologie. Joëlle Pire 1

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1 Nouvel élan de la cosmologie Joëlle Pire 1

2 Naissance de la cosmologie L archéologie cosmique Début du XX ème siècle Einstein : théorie de la gravitation Univers = objet physique Univers est immuable Espace statique Einstein : théorie de la relativité générale Image de l'univers lointain réalisée par le télescope spatial Hubble. Crédits : NASA/ESA. Joëlle Pire 2

3 Cosmos selon Newton 1679 Collection d objets d matériels évoluant dans un cadre fixé absolu Le corps est dévié de sa trajectoire par une force gravifique. F étoile Joëlle Pire 3

4 Cosmos selon Einstein 1915 Les propriétés s géomg ométriques de l espacel espace- temps déterminent d le mouvement des objets qui s y s y trouvent. La matière et l él énergie déterminent d les propriétés s de l espacel espace-temps. L astre massif déforme l espace : le corps est dévié parce qu il suit des «lignes droites» dans un espace courbé. étoile Trajectoire Joëlle Pire 4

5 1919 : confirmation de la théorie de la relativité générale Les trajectoires des photons suivent les géodésiques (chemins plus rapides) Eclipse de Soleil : mesures en présence et en absence du soleil réalisées par l astronome l Arthur Eddington. La masse du soleil courbe l espace-temps entre les étoiles Joëlle Pire 5

6 Lentille gravitationnelle : super télescope t d aujourdd aujourd hui Joëlle Pire 6

7 Répartition du contenu de l Univers Alexandr Friedmann (1922) et Georges Lemaître (1927) : Le Cosmos présente les mêmes propriétés s en tout point quelque soit la direction dans laquelle on l observel Il est homogène et isotrope = Principe Cosmologique Solutions exactes des équations d Einstein d correspondent à un Univers en expansion! Naissance de la cosmologie moderne Joëlle Pire 7

8 Le premier modèle cosmologique Joëlle Pire 8

9 En 1929 Edwin Hubble Distance nm nm Étoiles groupées en galaxie dans un espace vide. Dans les spectres des galaxies, toutes les raies étaient décalées vers le rouge. RED SHIFT Effet Doppler-Fizeau : Lorsque la galaxie s és éloigne, la longueur d onde d de la lumière augmente. Joëlle Pire 9

10 s/biographies-des-grands- savants-et-astronomes/edwin- Hubble/astronomie-Edwin- Hubble.html Joëlle Pire 10

11 Joëlle Pire 11

12 Estimation de distance en 1929 La luminosité des Céphéides (étoiles( géantes) est reliée à la période p de l alternance l de leur luminosité. Mesurée e sur Terre La comparaison de ces luminosités permet d estimer d leur distance. Céphéides M100 dans l amas de galaxie de la vierge ( distance d environ 50 millions d années lumière) Credit: NASA, HST, W. Freedman (CIW), R. Kennicutt (U. Arizona), J. Mould (ANU) Joëlle Pire 12

13 Loi de Hubble Relation entre la vitesse et la distance des galaxies et autres objets lointains; L'Univers est en expansion : les galaxies s'éloignent de nous à des vitesses qui augmentent avec la distance. v = H. D Les galaxies s enfuient dans la nuit! Joëlle Pire 13

14 Figure extraite de l article original de Hubble (1929). Version moderne du diagramme de Hubble, tracée à l aide de relevés de supernovæ en H = 75 km/s par million d année- lumière Exemple : une galaxie située à 1 million d année-lumière s éloigne de la Terre à la vitesse de 75 km/s. Joëlle Pire 14

15 C est l espace l qui se dilate! Dilatation de l Univers l est symbolisée e par le gonflement d un d ballon; Expansion qui n a n pas de centre; Fuite des galaxies = manifestation concrète de «l étirement» de la métrique m de l espace-temps relativiste. Joëlle Pire 15

16 Joëlle Pire lle Pire millions d années 26millions d années

17 Hypothèse de G. Lemaître Vos calculs sont corrects mais votre physique abominable! 1931 Les galaxies ont du se trouver réunies à un moment du passé. L Univers a un âge fini : il a un commencement en t = 0 s. Nucléosynthèse = théorie de l Atome primitif Joëlle Pire 17

18 À l instar d un gaz qui s échauffe quand on le comprime, l univers devait aussi être plus chaud par le passé (1934). Joëlle Pire 18

19 Singularité initiale Temps initial : 0 s Volume initial : 0 m 3 Densité initiale d éd énergie infinie Température gigantesque Joëlle Pire 19

20 Fred Hoyle Opposé à cette idée e d éd état initial minuscule Théorie de la création continue : Dans l Univers l en expansion, il se crée e de manière permanente de la matière dans l espace l vide laissé par les galaxies. Un tel univers est stationnaire. Joëlle Pire 20

21 Dans le passé Plus tard. Surnom péjoratif p pour le modèle de la cosmologie Big Bang Joëlle Pire 21

22 Georges Gamow 1948 Relation entre la taille et la température : Si la taille tend vers 0, la température tend vers l infini; L Univers était jadis extrêmement dense et très chaud T = k / R Où R = rayon de l Univers T = température L Univers serait donc passé par toutes les températures L Univers devait avoir contenu un plasma (gaz oùo les électrons sont arrachés s aux atomes) en équilibre thermique. Joëlle Pire 22

23 Test Le plasma refroidi lors de l expansion l devient un gaz neutre et transparent photons e - Atome (H, He, Li) Joëlle Pire 23

24 Gigantesque émission de lumière A 3000 kelvins, il y a ans la lumière se propage librement. Un rayonnement est libéré par le «gaz neutre» en chaque point de l espace l et au même moment. L expansion de l Univers l s est s poursuivie pendant 13 milliards d annd années: les photons ont refroidis. La température de ce rayonnement «résiduel» du fond du ciel fut estimée e aux environs de 5 K. On devrait recevoir dans toutes les directions un rayonnement «fossile»! Joëlle Pire 24

25 Le rayonnement atteint enfin la Terre! ans après le Big bang 10 milliards d années 15 milliards d années Joëlle Pire 25

26 Arno Penzias et Robert Wilson 1965 Réglage d antenne d destinée à recevoir les données des premiers satellites de communication américains «Echo» (Laboratoires Bell) Détection accidentelle d d une source de bruit micro onde dans l'atmosphère. Rayonnement thermique d un d corps noir à environ 2,7 kelvins Confirmation de l expansion de l Univers, homogène et isotrope à grande échelle Joëlle Pire 26

27 Antenne Bell de Crawford Hill Arno Penzias et Robert Wilson Joëlle Pire 27

28 Souvenir d enfance d : première image de l Universl L antenne mesure une énergie E La relation entre la température et l énergie est E = k. T E en ev T en Kelvin K = 8.62 ev K -1 Joëlle Pire 28

29 D où viennent les galaxies, les amas de galaxies? Comment un Univers oùo le gaz est au départ d uniformément ment réparti r a pu devenir un espace presque vide, peuplé de pépites p pites de matière concentrées(les es(les galaxies ) ) que nous voyons aujourd hui? Des fluctuations minimes de températures du fond diffus seraient associées à des régions r oùo le plasma était légèrement l plus dense et chaud, d autres plus tièdes, formant des «grumeaux». Les grumeaux plus denses en se refroidissant se sont effondrés s sous leur poids par gravitation. Joëlle Pire 29

30 Les petites variations de densité dans la répartition r des atomes de l Univers l naissant conduisirent à la formation des étoiles et des galaxies. Différence entre les points bleus (froid) et rouges (chaud) = degré Kelvin! Température moyenne de notre univers 2,725 K = -270,425 C 2008, satellite WMAP, détail Joëlle Pire 30

31 Univers = Corps noir à 2,73 K Joëlle Pire 31

32 Vidéo o4_nane6538_les-mysteres mysteres-du- cosmos/video/x6me3u_les-mysteres mysteres- du-cosmos cosmos-du-big-bang_newsbang_news Joëlle Pire 32

33 Il était une fois, il y a 13,6 milliards d annd années 1 0 s s 2 V = mm 3 Energie colossale 3 = Dilatation vertigineuse ans 13,7 milliards d années 11 Joëlle Pire 33

34 Temps 0 s Atome d Hydrogène Atome d Hélium Etoiles massives Noyau d Hélium Protogalaxie Nous sommes là Trou noir Domination de la matière Domination du rayonnement Première supernovae Présent Formation des galaxies et étoiles L univers devient transparent Séparation matière - rayonnement Nucléosynthèse de l Hélium Disparition des positrons Confinement des quarks : formations protons, neutrons Disparition des antiquarks Epoque électrofaible Symétrie brisée Inflation cosmique? Formation des atomes Epoque grande unification Années Années Années Epoque des photons Epoque des leptons Epoque des quarks milliards d années : notre système solaire 150 millions d années : grumeaux forment étoiles et galaxies ans : Univers transparent, photons libres, atomes (H, He) 3min : noyaux (maximum 7 nucléons) 10-6 s : protons, neutrons, Univers opaque plus calme s : matière survit s Premières particules et antiparticules (quarks, électrons, Joëlle Pire 34 neutrinos )

35 Big Bang Echelle de temps, température et énergie Joëlle Pire 35

36 TEST de l expansion l de l l Univers A 3 minutes température de 900 millions de degrés fusion de protons, neutrons : formation de l hélium, l lium, deutérium Joëlle Pire 36

37 Abondance de l'hélium lium Les 25% d'hélium contenus aujourd'hui dans l'univers s'expliquent par l'apport d'une nucléosynth osynthèse se primordiale Joëlle Pire 37

38 Et après s 1970? Satellite PLANCK 14 mai 2009 L'objectif principal = étude des irrégularités du rayonnement fossile (fond diffus) Joëlle Pire 38

39 Le côté obscur de notre Univers Les observations astronomiques accumulées sont les preuves de l existence l d une d masse et d une d énergie cachée e! Ce sujet est présent senté dans la seconde partie intitulée «Nouvel élan de la cosmologie» De 1970 à Joëlle Pire 39