La cosmologie. Master Classes CP Sandrine SCHLÖGEL (UNamur- UCLouvain)

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1 1 La cosmologie Master Classes CP Sandrine SCHLÖGEL (UNamur- UCLouvain)

2 2 Les échelles de grandeur ElectromagnéFsme InteracFons nucléaires

3 3 Le principe cosmologique A grande échelle (1024 m), l Univers est homogène et isotrope.

4 Quelques éléments de la cosmologie moderne Une théorie : la relafvité générale Lois de la physique indépendantes du référenfel, y compris dans un champ gravitafonnel Implémente le principe cosmologique Première quesfon : Univers stafque (Einstein)? En expansion (Lemaître, 1927)? ObservaFons nécessaires!

5 5 Arpentage de l Univers (1) : Mesure des distances Chandelles cosmiques : les céphéides (Leavi\, 1912) Puissance émise connue Puissance reçue mesurée Mesure de la distance! λ

6 6 Arpentage de l Univers (2) : Mesure de la vitesse Effet Doppler Raies d émissions des éléments chimiques

7 7 Loi de Hubble v = H0d! H 0 = 73,8 ± 2, 4 km/s/mpc en : Hubble RelaFon linéaire vitesse/distance Conclusion : première preuve d un Univers en expansion!

8 8 Expansion de l Univers d(t0)=d0 d(t)=d0a(t)

9 Expansion de l Univers

10 10 EvoluFon de l Univers Evolution du facteur d échelle en fonction du temps Univers ouvert Univers plat Big Bang Univers fermé Big Crunch...liée au contenu en mafère/énergie

11 3 grandes quesfons 1. Pourquoi l'univers est- il si homogène et isotrope? 2. Contenu en mafère et énergie? 3. Géométrie et desfn de l'univers?

12 12 Remonter le temps à l'échelle cosmologique Une histoire à découvrir!

13 Modèle du Big Bang chaud Temps Distances/Surfaces/Volumes Température Energie 13

14 14 Les échelles de grandeur ElectromagnéFsme InteracFons nucléaires

15 15 Les structures à grande échelle Qu'observons- nous dans l'univers? AppariFon de ces structures? Ère de mafère, œuvre de la gravitafon Mission spafale Euclid, 2020

16 16 Le rayonnement fossile : introducfon A l'échelle des parfcules et des atomes : - Diversité d'atomes complexes (C, O, N,..., Fe,,U) créés dans les étoiles Nucléosynthèse stellaire - Atomes qui existaient avant la naissance des premières étoiles : H à environ 80%, He, Li QuesFon : Si la température augmente, que devient l H?

17 17 Le rayonnement fossile Plasma primordial Energie d ionisafon de l H : 13,6 ev! + e + p " H +!! + e + p " H +!

18 18 Le rayonnement fossile Prévision du modèle du Big Bang chaud Première détecfon en 1965 par Penzias et Wilson (Prix Nobel 1978) 3K

19 19 Le rayonnement fossile Rayonnement isotrope Effet Doppler Plan galacfque...et anisotropies très faibles

20 20 Planck 2013 Age de l Univers: 13,8 milliards d années Espace (très) plat MaFère ordinaire: 4,9% MaFère sombre: 26,8% Énergie sombre: 68,3%

21 21 La nucleosynthèse primordiale Nucleosynthèse primordiale et stelllaire CréaFon des premiers noyaux Pourquoi après 3 min?

22 22 La nucléosynthèse primordiale Si T augmente, les noyaux ne sont plus stables CréaFon des noyaux d'h et d'he? Nucléosynthèse primordiale PrédicFon de la cosmologie moderne : proporfon d éléments chimiques légers 1 atome d He pour 12 d H

23 23 Histoire de l Univers Ere de Planck Ere de Grande (T>1032K) UnificaFon (T>1028K)

24 24 Succès du Big Bang chaud Expansion cosmologique Abondance des éléments légers et nucléosynthèse primordiale Existence et physique du rayonnement fossile

25 25 MaFère sombre, énergie sombre et inflafon cosmologique Le côté obscur de la cosmologie

26 26 Les quesfons Qu'est- ce que la ma;ère noire? - FormaFon des structures à grande échelle - Rayonnement fossile Qu'est- ce que l'énergie noire? - Rayonnement fossile Homogénéité de l'univers à grande échelle - Structures à grande échelle - Rayonnement fossile Univers (très) plat?

27 La matière sombre 27

28 L énergie sombre (Prix Nobel 2011) Chandelles cosmiques = supernovae Diagramme de Hubble 28

29 Seul 4% des constituants de l Univers sont connus! 29

30 L inflation primordiale Comment expliquer l homogénéité de l Univers? Uniformité de la T du rayonnement fossile Communication = échange de lumière Vitesse finie de la lumière et âge de l Univers 30

31 L inflation primordiale Phase d expansion accélérée Explique : - l homogénéité - la plattitude 31

32 L inflation primordiale Etude de la polarisation du rayonnement fossile Expérience BICEP2 en Antarctique Résultats : détection d ondes gravitationnelles primordiales!

33 33 En conclusion

34 34 La cosmologie, une science de précision L Univers est en expansion L Univers a une histoire : La nucleosynthèse primordiale Le rayonnement fossile L expansion accélérée actuelle Seulement 4% de mafère ordinaire

35 35 Encore de nombreuses quesfons : qu est- ce que la mafère noire? nouvelle(s) parfcule(s)? GravitaFon modifiée? qu est- ce que l énergie noire? énergie du vide? GravitaFon modifiée? Nouveau composant? - Univers primordial : Modèle d inflafon? Théorie quanfque de la gravitafon?

36 36 Merci à André Füzfa pour les illustrafons de l exposifon Univers Face A Face B!