La construction de la structure à grande échelle de l Univers
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- Raymond Fortin
- il y a 7 ans
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1 La construction de la structure à grande échelle de l Univers Observations (2dF RS) Rémi Cabanac Modèle de la toile cosmique
2 Les bases de la connaissance scientifique Se poser des questions «scientifiques»
3 Les bases de la connaissance scientifique Se poser des questions «scientifiques» 2- Utiliser une bonne méthode
4 Phase 1 Hypothèse : le cerveau une machine à créer des idées (bonnes et moins bonnes). Phase 2 vérification: observations ou expériences quantifiées, reproductibles et cadrées Phase 3 retour Phase 1...
5 Méthode scientifique appliquée à l'astronomie : Hypothèse : La Terre est plate Observation : localement, c'est vrai! Mais à grande échelle, les ombres varient en fonction de la latitude. Hypothèse : La terre est ronde Observations : ca marche jusqu'à un certain point. Etc Hypothèse : Le ciel et Soleil tournent en cercle autour de la terre... Observation : OK, mais orbites compliquées à calculer Hypothèse : La terre et les planètes tournent en cercle autour du Soleil Observation : OK, ça simplifie tout, mais on mesure des écarts Hypothèse : les orbites terrestres sont des ellipses...
6 En réalité la science progresse... Le mythe
7 En réalité la science progresse... par grands sauts (révolutions, Kuhn) Le mythe Einstein / Copernic / Galilée Aristote / Ptolémée La réalité
8 Histoire courte de l'univers : - Une force dominante sur 4 : La gravitation - Une complexification progressive : émergence de : - structures dans l'espace-temps - matière solide - liquide, molécules - chimie, vie...
9 Les observations nous montrent que notre univers devient de plus en plus contrasté avec l'âge.
10 Les observations nous montrent que notre univers devient de plus en plus contrasté avec l'âge. Voyons d'abord à quoi ressemble l'univers observé très lointain (et donc très jeune)
11 Histoire courte : Une jeunesse chaude et turbulente... Jeunesse... suivie d'une période sereine, homogène, calme. 1ere observation
12 Première observation : Le fonds de rayonnement cosmologique...
13 Première observation : Le fonds de rayonnement cosmologique... Sur l'image brute, on ne voit que l'empreinte de la vitesse de la Terre (galaxie) par rapport au rayonnement de fonds cosmologique (effet doppler-fizeau)
14 Première observation : Le fonds de rayonnement cosmologique... - Observation par de nombreux satellites - Interprétation très fine
15 Première observation : Le fonds de rayonnement cosmologique... Carte de température On relie la température à la masse Contraste 1/10000
16 Le contraste de densité Effet de la gravitation Contraste de densité croissant
17 Première observation : Le fonds de rayonnement cosmologique... Carte de température L'univers jeune était extraordinairement homogène On relie la température à la masse Contraste 1/10000
18 Le contraste de densité de l'univers aujourd'hui...
19 Aujourd'hui : la matière s'organise en gigantesques structures galaxies Contraste 1000 Amas de galaxies
20 Le contraste de densité de l'univers Aujourd'hui : ρ/ρ 1000 Au début de l'univers ρ/ρ 1/10000 Contraste de densité croissant (X 10 millions)
21 Le contraste de densité de l'univers : Au début de l'univers : ρ/ρ 1/10000 Aujourd'hui : ρ/ρ 1000 Age de l'univers : 13,7 milliards d'années L'effet de la gravitation doit pouvoir expliquer que l'univers a augmenté son contraste de densité de 7 ordres de grandeur (X 10 millions)!
22 Les modèles d'évolution de l'univers Expériences par la pensée : les simulations numériques (Spergel, Tissier, etc.) des grandes structures On utilise les supercalculateurs pour tenter de reproduire l'univers observable en introduisant les lois physiques, les conditions initiales.
23 Les modèles d'évolution de l'univers MATIERE SOMBRE Expériences par la pensée : les simulations numériques (Spergel, Tissier, etc.) des grandes structures
24 Les modèles d'évolution de l'univers Expériences par la pensée : les simulations numériques (Spergel, Tissier, etc.) des grandes structures Les modèles simples ne fonctionnent pas : Les galaxies et les amas de galaxies ne peuvent pas exister dans l'univers!
25 Les modèles d'évolution de l'univers Expériences par la pensée : les simulations numériques (Spergel, Tissier, etc.) des grandes structures Les modèles simples ne fonctionnent pas : Les galaxies et les amas de galaxies ne peuvent pas exister dans l'univers! On doit ajouter des ingrédients : la matière sombre et l'énergie sombre OU On doit modifier la loi de la gravitation
26 Matière sombre? Energie sombre? Pourquoi? Matière sombre: accélére l'effet de la gravitation, donc la vitesse de formation des galaxies et grandes structures Energie sombre: elle dilate l'espace-temps, augmente l'âge de l'univers, donne davantage de temps aux structures pour se former
27 Matière sombre? Energie sombre? Et les observations?
28 Matière sombre?
29 MATIERE SOMBRE Observations et inférences historiques (Zwicky 1930, Rubin 1950) La rotation des galaxies spirales La dynamique des galaxies dans les amas
30 MATIERE SOMBRE Observations et inférences historiques (Zwicky 1933, Rubin 1950) La rotation des galaxies spirales La dynamique des galaxies dans les amas
31 Matière sombre dans les galaxies NGC 6946 (10 million a.-l.)
32 MATIERE SOMBRE Observations et inférences historiques (Zwicky 1933, Rubin 1950) La rotation des galaxies spirales La dynamique des galaxies dans les amas
33 Matière sombre dans les amas Zwicky (1933) Amas Coma Masse dynamique = 400 fois la masse lumineuse! Smith (1936) Amas Vierge Même conclusion
34 Matière sombre : effet de Lentille gravitationelle Effet très puissant pour détecter la matière sombre autour des amas, exemple de l'amas balle de fusil.
35 Matières sombres à diverses échelles Type d'objet Dimension Rapport (M/L) % de matière sombre environnement solaire 100 pc % spirales kpc % galaxies binaires kpc % Groupes Mpc % amas 1-5 Mpc %
36 Nature de la matière sombre?
37 La matière sombre est étrange! MATIERE BARYONIQUE S Burles, D Tytler (1998) D/H = 3,4± 0.3 x 10-5 Ω B = 2% Ω total Matière sombre ne peut pas être baryonique!
38 La matière sombre est étrange! Pourquoi pas sous forme de trous noirs? Découvertes des ondes gravitationnelles Fusion trous noirs de 29 et de 36 M (plus grand exploit technique et théorique de l'histoire de l'humanité!) La matière sombre est-elle faite de TN? (2 fusions en 6mois d'opération c'est statistiquement improbable!)
39 La matière sombre est étrange! MATIERE BARYONIQUE S Burles, D Tytler (1998) D/H = 3,4± 0.3 x 10-5 Ω B = 2% Ω total Matière sombre ne peut pas être baryonique!
40 Matière sombre: conclusion La théorie physique actuelle ne permet pas de reproduire l'univers sans modification. 1- On peut inventer une composante: la matière sombre 2- On peut également modifier les lois de la physique... L'histoire de la physique montre que les deux voies sont fertiles et ont permis des avancées (échec éther, réussite positrons).
41 Energie sombre? L'histoire de l'énergie sombre est liée au développement théorique de la Relativité Générale d'einstein, mais la gravitation Newtonienne la prédit également. Avant 1929 (Hubble), l'univers était supposé statique!
42 Energie sombre? Or les équations de la gravitation impose un univers en mouvement (expansion ou contraction). Einstein suppose donc qu'il existe un paramètre opposé au champs de gravitation qui empêche l'univers de s'effondrer. La constante cosmologique est née.
43 Energie sombre? Pendant le XXe siècle, les cosmologistes ont passé toute leur énergie à mesurer trois nombres: La densité de l'univers, La vitesse d'expansion de l'univers, La courbure géométrique de l'univers La vitesse d'expansion de l'univers, H0 en particulier a fait l'objet d'un vif débat, et beaucoup de techniques ont été développées pour établir l'échelle cosmologique.
44 Energie sombre? La vitesse d'expansion de l'univers, H0 en particulier a fait l'objet d'un vif débat, et beaucoup de techniques ont été développées pour établir l'échelle cosmologique.
45 Energie sombre? Ces techniques suivent la même démarche: - mesurer la vitesse de récession (décalage spectral) des objets - mesurer leur distance H0 = vitesse de récession [km/s] / distance [Mpc]
46 Energie sombre? Mesurer la distance des objets n'est pas simple! - Quand les objets sont proches, effet géométrique (parallaxe: HIPARCOS, GAIA,...). J. Bradley tente une première mesure, mais découvre l'aberration astronomique et en déduit que la vitesse de la lumière est x la vitesse de révolution de la Terre autour du Soleil. - Quand les objets sont lointains: bougie-étalon
47 Energie sombre? Bougie-étalon: Objet dont on connait la brillance absolue Etoiles pulsantes (RR Lyrae, Céphéïdes). Pas très brillantes Visibles dans les galaxies proches
48 Energie sombre? Bougie-étalon: Supernova Ia (Zwicky 1961, Kowal 1968, Hamuy et al ) très brillantes.
49 Energie sombre? Bougie-étalon: Supernova Ia (Zwicky 1961, Kowal 1968, Hamuy 1998)
50 Energie sombre? 1998: Grosse surprise, Riess, Smith, Perlmutter annonce que le diagramme de Hubble dérivé des SN Ia montre une accélération de l'expansion.
51 Energie sombre? 1998: Grosse surprise, Riess, Smith, Perlmutter annonce que le diagramme de Hubble dérivé des SN Ia montre une accélération de l'expansion.
52 En 2016 et + On observe les effets indirects de la matière sombre avec les lentilles gravitationnelles (ou la modification des lois de la physique!) Les cosmologistes du monde entier préparent une mission spatiale ESA (EUCLID, ) pour étudier les composantes sombres de l'univers.
53 En 2016 et + EUCLID: L'énergie sombre est-elle une constante cosmologique (hypothèse d'einstein) ou Est-elle un nouveau type de champs d'énergie, évoluant dynamiquement avec l'expansion de l'univers? Sinon, l'énergie sombre montre-t-elle la limite de la Relativité Générale et une déviation de la loi de gravitation? Quelle est la nature et les propriétés de la matière sombre? Quelles sont les conditions initiales gouvernant la formation des structures cosmiques? Quel sera le futur de l'univers dans les prochaines 1à milliard d'années?
54 Partie I: en 2016 et + EUCLID
55 En 2016 et + Au sol: Large Synoptic Survey Telescope
56 En 2016 et + Au sol: Large Synoptic Survey Telescope Le LSST en chiffres: miroir primaire de 8.4-m caméra CCD 3,2 Gigapix Taille d'image = 40 pleines lunes. Sondages du ciel pendant 10 ans 10 million d'alertes, 1000 paires d'images, 15 Teraoctets de données chaque nuit!
57 construction de la structure à grande échelle de l Univers Merci de votre attention!
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