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De la cosmologie avant toute chose…
Alain Bouquet
Laboratoire Astroparticule & CosmologieCollège de France
Université Paris 7 - CNRS - CEA - Observatoire de Paris
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La cosmologie a bientôt cent ans
et elle s’identifie aujourd’hui à la théorie du big bang
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Aristote: un monde plein et ordonné
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Les échellesdans l’univers
© Jacques Colin (OCA)
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Le ciel en optique:planètes, étoiles et galaxies
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Les sources de lumière
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Le ciel en radio (λ = 73 cm)
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Le ciel en rayons X (λ ~ 1 Å)
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Le ciel en radio (λ = 1 mm)
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Elles sont de plus en plus précises Elles confirment la théorie du big bang• dans les grandes lignes• mais aussi dans les détails
XMM
Nous vivons l’âge d’or de la cosmologieLes données viennent de sources de plusen plus variées
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1 - L’univers est en expansion son contenu matériel est de plus en plus dilué la longueur d’onde du rayonnement augmente (décalage « vers le rouge »)
2 - L’univers se refroidit
SI les lois de la physique n’ont pas changé: big bang il y a 14 milliards d’années
La théorie du big bang
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L’expansion de l’espace L‘espace se dilate : les distances entre les objets augmentent avec le temps
Qu’est-ce que l’espace ? Le lieu où se trouvent les objets Newton L’ensemble des relations entre les objets Aristote, Leibniz, Einstein
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1922 : prédiction théorique del’expansion de l’univers
Singularité initiale (big bang)
Einstein : « C’est faux ! » Friedmann: « Mais non, regardez » Einstein : « Bon, c’est juste, mais sans
aucun intérêt »
1925 : mort prématurée et oubli
Les inventeurs du big bang: Friedmann
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1925 : redécouvre l’expansion Attribue à l’expansion de l’univers le décalage vers le rouge z observé par Slipher Prévoit que z ∝ distance
1927 : solutions complètes courbures positive et négative, avec et sans rayonnement, avec et sans constante
cosmologique, estimation H0 ~ 600 km/s/Mpc Einstein: « Vos calculs sont justes, mais votre intuition physique est abominable! »
1929 : loi de Hubble z ∝ distance, H0 ~ 540 km/s/Mpc
Les inventeurs du big bang: Lemaître
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Un univers plus dense dans le passé était nécessairement plus chaud
L’univers se refroidit : T ∝ 1 + z T ∝ 1/√t
=> Fusions nucléaires possibles
Gamow et ses élèves estiment en 1948qu’aujourd’hui T ~ 5 à 10 K
Observation (1965) T ~ 3 K (-270°C)
Mais la température de quoi ? Des photons!pas des baryons, ni des neutrinos…
t = 1 seconde T = 1010 °C
Les inventeurs du big bang: Gamow
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Brève histoire de l’univers:expansion et refroidissement
Instant zéro 1 minute 400 000 ans 500 millions d’années 9 milliards d’années 14 milliards d’années
InconnuNucléosynthèse90% d’hydrogène et 9% d’hélium
Libération de la lumièreCMBFormation de la Voie lactéeFormation du système solaire
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Méditons sur les mystères de l’univers
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Le théoricien
Relativité généraleRelativité générale Univers homogèneUnivers homogène
Univers en expansion qui se refroiditUnivers en expansion qui se refroidit
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Masse et énergie déforment l’espace et le temps
Courbure ∝ densité d’énergieCourbure = courbure spatiale + courbure temporelle
(expansion)
1- La relativité générale est un jeu d’enfant
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2 - Un univers (presque) homogène
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Ampleur des variations de densité
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Un univers (presque) homogèneLocalement, inhomogénéitéforte : galaxies et amas
Les très grandes structures(murs, filaments, vides) necorrespondent qu’à defaibles contrastes de densité
A très grande échelle,homogénéité quasi parfaite
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L’observateur
Univers en expansion qui se refroiditUnivers en expansion qui se refroidit
Décalages «Décalages « vers le rouge
vers le rouge » »
Composition chimique de l
Composition chimique de l’’universunivers
Rayonnement à «Rayonnement à « 3 K3 K » »
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Les spectres des galaxies sont presque tous décalés « vers le rouge »
Ce décalage z mesure la variation des échelles de longueur entre l’instant d’émissionet celui de détection
Il est le même pour tous les rayonnements et toutes les longueurs d’onde
Normalement la raie Hα està 656 nm
Ici
z = (750-656)/656 = 0.14
1 - Les décalages vers le rouge
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Le décalage z des raies spectrales vers les grandes longueurs d’ondes est proportionnel àla distance D de la source
z = D H0/c
z =!réception " !émission
!émission
Loi de Hubble en 1929
Loi de Hubble
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2 - Composition chimique de l’univers
90% des noyauxsont de l’hydrogène
9% des noyauxsont de l’hélium
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Réactions de fusion
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Le réseau nucléaire
Deuxième goulot d’étranglement
Troisième goulot d’étranglement
Premier goulot d’étranglement
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les prédictions théoriques
et les observations
pour un intervalleréduit de la densitéde baryons ΩB
Théorie et observations
Accord global entre
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3 -Le fond de rayonnement cosmologique
Penzias & Wilson 1965Dicke et al. 1965
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Equilibre matière-rayonnement
A haute température, les atomes sontdissociés en électrons et ions
Les photons interagissent fortementavec les électrons et les ions
Equilibre thermodynamique :« distribution de corps noir »
rayonnement
matière
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Distribution de corps noir
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Découplage matière-rayonnement
Quand la température baisse, électrons et ions se recombinent en atomes Les photons n’interagissent plus: l’équilibre thermodynamique demeure « figé »
© F. Bouchet (IAP)
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UIA Versailles - 12 octobre 2005 Alain Bouquet - Cosmologie 34/49
Bref, si on sait (à peu près) comment leschoses se sont passées, on ne sait pas du toutpourquoi elles se sont passées comme çà!
Ce qu’on ne comprend pas
L’origine de la matière ordinaire (baryonique) L’origine et la nature de la matière noire L’origine et la nature de l’énergie noire L’origine des structures (amas, galaxies, étoiles…) L’origine de l’univers
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Méditons sur les mystères de l’univers
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UIA Versailles - 12 octobre 2005 Alain Bouquet - Cosmologie 36/49
Matière noire 25%
Etonnant inventaire…
Gaz chaud 4%
Etoiles & planètes 0.5%
Neutrinos 0,5%Lumière 0,05%
Energie noire 70%
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UIA Versailles - 12 octobre 2005 Alain Bouquet - Cosmologie 37/49
95% d’inconnu, est-ce raisonnable?
Oui !
Rien n’interdit que la matière connue soitminoritaire la Terre n’est pas un lieu privilégié dans
l’univers ni le Soleil ni la Voie lactée
Les autres prédictions de la théorie dubig bang se sont vérifiées
Pourquoi pas celle-ci ?
Non !
Aucune indication directe ni de la matière noire ni de l’énergie noire
Toujours via des effets gravitationnels surla matière visible
Mais comprenons-nous réellement sibien la gravitation ?
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Le côté sombre de l’univers
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La matière noire, un vieux problème…
1933 : Fritz Zwicky
1970 : Vera Rubin
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UIA Versailles - 12 octobre 2005 Alain Bouquet - Cosmologie 40/49
Lentilles gravitationnelles
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1689
(HS
T)
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UIA Versailles - 12 octobre 2005 Alain Bouquet - Cosmologie 41/49
Lentilles gravitationnelles
© Jacques Colin (OCA)
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UIA Versailles - 12 octobre 2005 Alain Bouquet - Cosmologie 42/49
De la matière « normale » mais obscure? poussières? planètes, astéroïdes? étoiles noires, brunes, blanches? trous noirs stellaires? trous noirs géants?
Neutrinos?
Un nouveau type de particule élémentairestable? très légère et très abondante? très lourde et très rare?
Machos
Axions
Mauviettes (wimps)
Quelle est la nature de la matière noire?
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UIA Versailles - 12 octobre 2005 Alain Bouquet - Cosmologie 43/49
Formation des « structures »
Le terme « (grande) structure » désigne en général les galaxies et les amas degalaxies
mais il est parfois étendu aux amas d’étoiles et aux étoiles, dont la formation est« facile » à comprendre, quand celles des galaxies l’est
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UIA Versailles - 12 octobre 2005 Alain Bouquet - Cosmologie 44/49
Ampleur des variations de densité
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UIA Versailles - 12 octobre 2005 Alain Bouquet - Cosmologie 45/49
Le fond de rayonnement cosmologiqueRayonnement de corps noir pratiquement isotrope
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UIA Versailles - 12 octobre 2005 Alain Bouquet - Cosmologie 46/49
Formation des galaxies et des étoiles
Les faibles inhomogénéités initiales (1/100 000) croissent par instabilitégravitationnelle
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UIA Versailles - 12 octobre 2005 Alain Bouquet - Cosmologie 47/49
L’origine de l’univers
La relativité générale prédit une singularitéinitiale (température, densité, pressioninfinies)
Les lois connues ne s’appliquent plus
Mais la théorie quantique ne peut plusêtre oubliée dans ces conditions
Mais une théorie quantique de la gravitémanque depuis 80 ans
Multiples voies explorées Théorie des cordes Théories des boucles …
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UIA Versailles - 12 octobre 2005 Alain Bouquet - Cosmologie 48/49
L’espace est une scène de théâtre
Newton (+MQ)espace rigideuniformeillimitéextérieur
Einstein (RG)espace déformépar son contenu
Gravité quantiqueespace inexistanthors de son contenu
Le théâtre est illusion
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UIA Versailles - 12 octobre 2005 Alain Bouquet - Cosmologie 49/49
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