13.7 milliards d années en 60 minutes : une brève histoire de la cosmologie moderne sous l œil bienveillant d Albert Einstein

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1 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 & Université Paul Sabatier

2 L expérience de Michelson ( ) : l éther n existe pas! + = Absence du «vent d éther» confirmée à près en 2009 La vitesse de la lumière est une constante c = km/s indépendante de la vitesse v de la source : «c + v = c»! Les équations de Maxwell (~1864) régissant la propagation des ondes électromagnétiques ne sont pas invariantes de Galilée

3 La théorie de la relativité restreinte (1905) : le temps absolu n existe pas! Lorentz et Poincaré écrivent les équations mais ne les prennent pas au sérieux Galilée : x ' x vt ; t ' t mais Einstein oui! Le temps est propre à un 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 = mc 2 Preuves expérimentales : Un muon m a une durée de vie apparente plus longue à grande vitesse (v~c) qu au repos: t = gt, où g = (1-v 2 /c 2 ) -1/2 Lorsqu on accélère un électron, sa vitesse ne dépasse jamais c, mais son énergie augmente quand même (E = gmc 2 = mc 2 + ½mv 2 si v~c) Réacteurs et bombes nucléaires

4 La théorie de la relativité générale (1915) : l espace-temps est courbe! La théorie de la gravitation de Newton doit être adaptée au principe de relativité Équivalence entre force gravitationnelle et accélération (principe d équivalence fort) F = ma = GMm/r 2 «Pendant les jours qui suivirent (ma découverte), j étais bercé par une joyeuse excitation», A. Einstein Un corps «en mouvement libre» suit le chemin le plus court de l espace-temps (géodésique). La lumière est aussi soumise à cet effet L espace-temps est courbé par les masses, ce qui influe donc sur la trajectoire (géodésique) des corps voisins

5 Quelques preuves expérimentales : Un rayon lumineux approchant le soleil voit sa trajectoire fléchie par un angle de (confirmé dès 1919) Rotation du grand axe de l ellipse de mercure non due aux effets newtoniens : par siècle Effet de lentille gravitationnelle prévu dès 1937 (F. Zwicky) et observé depuis 1979

6 Conséquences cosmologiques de la relativité générale En 1917, Einstein adapte le modèle de W. De Sitter : il introduit la constante cosmologique L pour obtenir un univers stationnaire En 1922, A. Friedmann propose une solution ou l univers est soit en expansion soit périodique: accueil glacial de la part d Einstein En 1927, le chanoine belge G. Lemaître arrive à la conclusion que l univers est en expansion à partir d un «atome primitif» En 1929, E. Hubble observe un décalage systématique de la lumière émise par des galaxies vers le rouge (Slipher 1912) v = H d : deux objets lointains s éloignent l un de l autre avec une vitesse proportionnelle à leur distance «La plus grosse erreur de ma vie» (pas si sûr...)

7 Les données du modèle de Friedmann-Lemaître La courbure intrinsèque de l espace k=0,-1 ou 1: les observations s accordent sur un univers plat (k=0) Les proportions relatives des sources d énergie (matière, rayonnement, autres ) à un temps donné. Un univers plat implique la connaissance de sa densité d énergie totale Ce modèle, développé et enrichi par de nombreux physiciens, a conduit au modèle standard : LE BIG BANG (sarcasme de Fred Hoyle en 1950 sur la BBC )

8 Le modèle standard du Big Bang s (temps de Planck) : on ne sait rien avant s : inflation ; naissance de la matière 10-6 s : apparition des protons et neutrons (confinement des quarks) 10-5 s : «disparition» des électrons (e+e + n) 1 min : nucléosynthèse primordiale: création de He et D ans : recombinaison ; atomes et libération du «rayonnement fossile»

9 Les succès du Big Bang Explique pourquoi la nuit est noire! (Digges, de Chéseaux, Olbers, Poe ) Explication de l abondance relative H/He (75%/25%) et de Li Expansion de l univers et loi de Hubble : v = H d Rayonnement fossile à -270 C prédit par G. Gamow ( C : WMAP 2008)

10 Les points «noirs» de la théorie du Big Bang La matière visible ne fournit que ~4% de l énergie connue de l univers! La vitesse radiale des galaxies spirales est anormale L énergie cinétique >> énergie gravitationnelle Observation de «l amas du boulet» Introduction de la MATIERE NOIRE (naines rouges ou brunes, MACHO, WIMP supersymétriques???) La masse de la matière noire ne suffit pas (~23% du total) L univers accélère (observations de supernovæ, 1998) Introduction de l ENERGIE NOIRE (énergie du vide d origine quantique???) Le retour de la constante cosmologique L

11 Dernières nouvelles du ciel : le satellite WMAP ( ) Analyse du rayonnement fossile La matière usuelle contribue pour 4.5% de l énergie totale de l univers, la matière noire pour 23%, et l énergie noire pour 72.5% (et cela ne va pas s arranger avec le temps! Après 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 -1 Mpc -1 Le scénario de l inflation semble confirmé, celui de la quintessence infirmé (théorie alternative à l introduction de L).

12 Dernières nouvelles du ciel (07/01/2007) Analyse du champ COSMOS observé par Hubble et al. (Caltech /CNRS/CEA) 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 densité de matière noire en observant plus de galaxies dont l image nous arrive déformée par la présence de matière noire (effets de lentille gravitationnelle)

13 Dernières nouvelles du ciel (16/12/2008) Le satellite NASA Chandra X-ray Observatory L énergie noire s oppose à la gravité et ralentit donc la croissance des amas de galaxies (ici Abell 85 à 740 M années lumières) au cours des 7 derniers milliards d années

14 Conclusion La théorie du Big Bang présente un ensemble de succès impressionnants (même en ce qui concerne ses points noirs) et sera à nouveau testée par de nouvelles observations (satellites Fermi en 2008, Planck & Herschel 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? Présentation téléchargeable en PDF sur

15 Dernières nouvelles de la terre ( ) Le CERN LHC du CERN : 27 km de (ultra) haute technologie 2400 employés et 9000 utilisateurs (600 universités de 115 pays)

16 Dernières nouvelles de la terre ( ) Le CERN En juillet 2012, le CERN annonce la découverte du «Boson de Higgs» prédit indépendamment par R. Brout, F. Englert, et P. Higgs, en 1964 Les deux derniers obtiennent le Prix Nobel de Physique 2013 A quand la découverte des particules supersymétriques???

17 Dernières nouvelles de la terre (09/ /2012) CERN et Gran Sasso Lab Gran Sasso Lab (INFN et partenaires européens) Détecteur de neutrinos

18 Dernières nouvelles de la terre (09/ /2012) CERN et Gran Sasso Lab Les neutrinos (e, m, t) intéragissent très faiblement avec la matière (65 milliards/cm 2 /s venant du soleil) Ils peuvent «osciller» entre types (masse non nulle) L expérience CERN-Gran Sasso (730km) observe une arrivée des neutrinos 60 nanosecondes trot tôt! Pourtant, lors de l explosion de la super novae de 1987 ( a.l.), ils sont arrivés (presque) en même temps que la lumière Explication : Nouvelle physique des neutrinos? Remise en question mineure ou sérieuse de la relativité (restreinte et/ou générale)? Erreur expérimentale (expérience très complexe)? Défauts dans une ligne de 8 km de fibres optiques (+75-15=60!) La science en marche

19 Big Bang (S. Colombi, IAP) Collisions de 2 galaxies