Cosmologie. L étude de l univers - structure, taille, caractéristiques

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1 Cosmologie L étude de l univers - structure, taille, caractéristiques

2 Cosmologie moderne Moderne - Isaac Newton Gravité - une façon de décrire l univers basée sur la physique Vue de Newton sur l univers Infini Statique - immobile Pourquoi?

3 Statique - pas de mouvements observés à grande échelle Infini - nécessité d équilibre de masse de toute la matière Un univers fini a une fin! Le materiel près de cette limite est attiré vers le centre par la force d attraction due à la gravité et se déplace donc. Pas de mouvement observé donc pas de limite et donc infini Problèmes avec un univers infini: Paradoxe d Olbers - Pourquoi la nuit est-elle si sombre dans un univers infini? Un univers infini, un nombre infini d étoiles, lumière stellaire infinie, le ciel devrait briller de millions de feux! Solution - il n est pas infininement vieux. On ne peut pas tout voir, seulement ce qui est proche.

4 Définitions modernes Homogénéité - materiel uniformément réparti Faux à petites échelles mais vrai à grande échelle Isotropie - aspect identique pour tous les observateurs Homogénéité + Isotropie = Principe cosmologique Une autre règle (on l espère vraie) Universalité - les lois de la physique s appliquent partout Les modèles d univers essaient de produire un univers qui obeït au Principe Cosmologique et à l Universalité

5 L univers que nous observons est en expansion uniforme Pourquoi de façon uniforme? S il n en était pas ainsi, alors la loi de Hubble serait plus complexe Loi de Hubble v= Ho d Les objets lointains s éloignent plus vite de nous Nous sommes au centre de l univers!!!! Et bien non!

6 Il n y a pas un centre unique de l univers. Chaque point dans l univers est le centre de l univers. Comment l univers est il en expansion? Est il en expansion dans quelque chose? Y aura-t-il plus de parking dans le futur? Retournons à la relativité générale..

7 Courbure de l espace Relativité générale - l espace est distordu par la masse L espace (Univers) est en cours d extension par l expansion Comment? Cela dépend de la courbure de l Univers. 3 types simples de courbure - 2-D analogues Plat - pas de courbure - ennuyeux

8 Courbure positive - une sphère Courbure négative - selle, Chips Pringles

9 Quelle sorte de courbure possède l univers? Nous verrons plus tard Que pensait Einstein de l univers? Qu il était homogène et isotrope (Principe Cosmologique) Qu il n y avait pas de mouvement organisé (before Hubble) Ses formules disent qu il y a probablement des mouvements! Il a établi ses formules Il a inséré un terme anti-gravité, = constante cosmologique Plus tard, il appris que l univers est en expansion. Zut, il n avait pas besoin du terme. A-t-on encore besoin de la constante cosmologique? Nous verrons plus tard.

10 Si l univers est en expansion, il a dû être plus petit dans le passé On peut remonter jusqu au début de l univers, jusqu au BIG BANG! La cosmogonie - l origine de l univers. La théorie actuelle - la théorie du Big Bang Alexandr Friedman Abbe George LeMaitre

11 Avant le Big Bang? Pas de temps Pas d espace Peut-on même le définir?

12 Temps = 0 Supergravité C est tout ce que l on peut dire

13 Temps = seconds Ere Planck Période la plus précoce que l on peut décrire Deux forces existent - Gravité & GUT GUT = Grand Unified Theory

14 Temps = Seconds Fin de la GUT 3 forces existent - gravité, inter. nucl. forte & electrost. faible Création de particules élémentaires quarks (proton, neutron) leptons (electrons, neutrinos) Comment la matière est-elle créée? E=mc2 Leger déséquilibre entre matière et antimatière

15 Temps =10-35 to seconde Dilatation La taille de l univers augmente trés rapidement Pourquoi? L énergie de l ére précédente Jusqu à quelle taille croît l univers? Elle a crû d un facteur 1030 à 1040 La dilatation explique la nature uniforme de l univers

16 Temps = seconde Fin des forces unifiées 4 forces dans la nature - les mêmes qu aujourd hui Gravité Interaction nucléaire forte Interaction nucléaire faible Force électro-magnétique Début de la production de quelques éléments (protons, électrons)

17 Temps = 10-7 seconde Ere des particules lourdes Production de particules massives - Protons, neutrons Temps = 10-4 seconde Ere des particules légères Production de petites particules - électrons

18 Temps = jusqu à 3 minutes Ere de la nucléosynthèse Température = 109 K Hydrogène (protons) fusionnent en noyaux d Helium Résultat final = composition de 75% H 25% He

19 Temps = ans Recombinaison (Découplage) Temperature = 3000 K La domination de l univers par la radiation s achève et celle de la matière commence (gravité)

20 Temps = 500 millions d années Formation des Galaxies - galaxies ou amas: qui est apparu en premier? Théorie du haut en bas - grande structure d abord, petite galaxie ensuite Théorie du bas en haut - d abord les galaxies, ensuite les grands amas Lequel est le plus probable? Depend de la forme de la matière sombre. matière sombre chaude - mouvement rapide - facilite la construction de grandes structures matière sombre froide - lente - construit de petites structures

21 Now

22 Le Big Bang est-il une théorie correcte? Qu est ce qui fait qu une théorie est correcte? Qu est ce qui fait qu une théorie est incorrecte? Peut-on prouver qu une théorie est correcte? Une théorie peut être soutenue qu est ce qui soutient la théorie du Big Bang? Y-a-t-il des soutiens? Retournons à 1965 Recherche par les physiciens Robert Dicke et P. J. E. Peebles de la radiation résiduelle du Big Bang - mais comment la trouver?

23 Robert Wilson, Arno Penzias recherchent la radiation dans toutes les directions. Quelle forme a-t-elle? Ils ne savaient pas mais ils ont trouvé la radiation!

24 Radiation cosmique du fond du ciel Radiation cosmique micro-onde Radiation 3 K Radiation cosmique C est la radiation résiduelle du BB. Elle a la bonne temperature (autour de 3 K) Mesurée dans toutes les directions Très régulière Trop régulière - c est un problème L univers n est pas régulier (il possède de larges structures) Ainsi la radiation ne devrait pas être régulière

25 Satellite COBE Cosmic Background Explorer Lancé 1989 Janvier ers résultats présentés T mesurée précisément (2.735 K) Energie émise est exactement celle d un corps noir parfait! Les mesures continuent avec les missions BOOMERanG & WMAP La matière froide sombre est favorisée au titre de la masse manquante!

26 Destin de l univers L univers est en expansion - Qu est ce qui pourrait la freiner? La gravité! Combien en faut-il?? Beaucoup! Y-en-a-il assez? Besoin de mesurer la densité de l univers La densité critique - densité nécessaire pour arrêter l expansion

27 Destins simples possibles Densité Type d univers Courbure Destin <Critique Ouvert Négative Expansion continue >Critique Fermé Positive Effondrement =Critique Légérement ouvert Plat Expansion freinée Lequel est le bon? Comment peut-on le dire? Regarder comment l expansion change avec le temps (à grandes dist.) C est exactement ce qu on fait les astronomes - qu ont-ils appris?

28 Que fait l univers? Etudes indépendantes de l expansion del univers Recherche du taux de ralentissement de l univers Au lieu de cela, découverte que l univers accélère. Comment est-ce possible? L univers accélère!!!! F=ma Quelle en est la raison?

29 - La Constante Cosmologique L erreur d Einstein - l inclusion d un terme anti-gravité, Il semble bien qu il existe réellement.. Comment? La densité en énergie du vide - l espace lui-même contient de l énergie - elle dirige l expansion Plus d espace signifie plus d accélération Pas encore très sûr de ce qu est la densité en énergie du vide... Ainsi, pas de chance pour l univers de se recontracter, malgré la question de sa densité.

30 Mission WMAP Mesurer le degré de rugosité de la radiation du fond du ciel Résultats de WMAP (Février 2003) L univers semble être plat et en accélération La matière sombre froide est favorisée Age de l univers = 13.7 ± 0.2 milliards d années Constante de Hubble = 71 ± 4 km/s/mpc = 73% de l univers (quantité de Vacuum energy density ) Matière = 27% de l univers - l essentiel étant de la matière sombre seulement 4% de l univers est fait de matière normale Est ce la réponse finale? Non, loin de là... À suivre sur le site de J.P Luminet pour les passionnés!