Vincent Boudry

Vincent.Boudry@in2p3.fr

Vincent Boudry

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Introduction à la CosmologieIntroduction à la CosmologieChapitre 1 : Les BasesChapitre 1 : Les Bases

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Qu'est-ce que la cosmologie ?Définitions:

Cosmologie = étude de l’Univers dans son ensemble

– Infiniment lointain

• Relation entre les astres

• Reliée à l’astronomie et à l’astrophysique = descriptions des astres

– Exemple : distribution des galaxies, proportions des composants

– Infiniment proche

• Physique des particules, th des champs, th. quantique de la gravitation

Cosmographie = propriétés de l’espace-temps indépendammentdu contenu ⇒ modèle cosmologique

Cosmogonie = évolution physique dans le modèle

La cosmologie est-elle une science ?

– Objet unique, qui nous englobe, non-reproductible

– Pas d’expérimentation, mais de l’observation et des prédictions falsifiables (Karl Popper 1902–1994)

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Connexions non scientifiques :

– métaphysique, théologie : cosmogonie...

Pré-supposés :

– principe cosmologique ≣ universalité des lois physiques (∀𝑥)

• MQ : ψ univers ? ⇒ Quel observateur ?

• Galilée : pas de référentiel absolu mais CMB (pendule de Foucault)

• Principe cosmologique parfait ( ≣∀� ) ? ⇒ lucidité, principes minimaux, ...

Intérêts de la cosmologie

– Culture et connexions aux disciplines non scientifiques

– Pluridisciplinarité : mathématique, physique théorique (quantique, statistique, relativité générale), nucléaire, des particules, des détecteurs, astrophysique, ingénierie de pointe, optique, électronique, spatial

Progrès des 20 dernières années :

– Précision des mesures,

– Nouveaux problèmes

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Instruments récents

Mesures « larges »

– Hypparcos (1989–1993)

• 120k + 2.5M étoiles

– GAIA (2013–2018)

• prec. × 50; 109 étoiles

– Sloan Digital Sky Survey

• Supernovae

• Distributions des Galaxies

• Quasar

• AGN

– Hubble (20 deg² en 20 ans)

– EUCLID (10000deg² en 1a)

– JWST

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Instruments récents en cosmologie

Fond diffus cosmologique

– COBE 1990

• Angular resolution = 10°

• Temperature fluctuation 10-5K

• τ(the Universe) ~ 15±5 Ga

– WMAP 2003

• Angular resolution = 10’

• τ(the Universe) =13.69±0.13 Ga

• Polarization measurement

– Planck 2013

• τ(the Universe) =13.796±0.058 Ga

• Polarisation (1eres données: déb 2015)

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Composition du cosmos

Planck (2013)

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Histoire

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Histoire

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Constantes (2005 – 2013)

Constante de Hubble 72 ± 5 km/s/Mpc 73.8 ± 2.4Densité critique ρ

Densité totale réduite 1.02 ± 0 .02 1.002±0.011

Densité de courbure réduite 0.02 ± 0.02

Densité de constante cosmologique (énergie noire) réduite 0.70 ± 0.10 0.73 ± 0.03Équation d'état w -1.0 ± 0.3

Densité totale de matière réduite 0.29 ± 0.07 0.27±0.03

Densité réduite des baryons 0.0470 ± 0.0006

Densité réduite des photons Rapport nombre de baryons/photons η

Densité numérique des baryons 0.254±0.0006

Densité numérique des photons

Densité réduite de la matière baryonique lumineuse 0.010 ± 0.005

Age de l'Univers 13.4 ± 0.3 Ga 13.796±0.058

Redshift du découplage 1088 ± 2 1091(1)

Redshift égalité rayonnement-matière 3454 ± 390 3200 ± 130

H0

0.974 x 10-26 kg/m3

Ωtot

Ωk

ΩΛ

Ωm

Ωb

Ωph 4.76 ± 0.30 x 10-5

6.5 ± 0.4 x 10-10 6.19(15) × 10−10

nb 0.27 x 0.01 m-3

nγ 410.4 ± 0.9 x 106 m-3

Ωlum

t0

zdec

zeq

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Contenu du cours

1) Généralités :

introduction historique – instruments et rayonnements – mesures de distances – planètes, étoiles et galaxies.

2) L’Univers à grande échelle :

paradoxe d’Olbers – effet Doppler-Fizeau - loi de Hubble – rayonnement thermique cosmologique – distribution de la matière - quasars et noyaux actifs de galaxies.

3) Les étoiles :

énergie thermonucléaire – neutrinos stellaires - magnitudes – diagramme HR – critère de Jeans – étapes ultimes, supernovae, naines blanches, étoiles à neutrons, pulsars et trous noirs - masse manquante.

4) L’expansion de l’Univers :

modèle newtonien – densité critique – modèles de Friedmann-Lemaître – univers de matière et de rayonnement – nucléosynthèse primordiale .

5) La relativité générale :

principe d’équivalence – vérifications expérimentales – lentilles gravitationnelles –espace-temps non euclidien – tenseur métrique, tenseur énergie-impulsion – équation d’Einstein.

6) Le modèle standard et ses problèmes :

métrique de Robertson et Walker –– accélération de l’expansion – constante cosmologique –courbure d’espace - inflation.

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Introduction historique

Astronomie avant 1900-310 -230 héliocentrisme

Astronomie égyptienne + Math. grecques100 170 géocentrisme

1473 1543 héliocentrisme1571 1630 3 lois mouvement des planètes1564 1642 lunette astronomique

satellites de Jupitercratères de la Luneprincipe d’inertie

1687 loi de la gravitation1740 comète1781 Uranus1846 Neptune1859 avance du périhélie de Mercure

Aristarque de Samos 

Ptolémée Copernic Képler Galilée 

Newton Halley Hershel Galle, Le Verrier Le Verrier 

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Historique (2)

Système solaire après 1900, astronautiqueTombaugh 1930 PlutonDavis 1968 neutrinos solairesConquète spatiale 1957 1er SpoutnikArmstrong 1969 homme sur la LunePioneer 10 1972–1983 1er objet hors du Système solaire

RelativitéEinstein 1905 relativité restreinte

1915 relativité généraleEddington 1919 déviation de la lumièrePound & Rebka 1960 décalage vers le rougeTaylor & Hulse 1979 ondes gravitationnelles

Hors système solaire après 1900Hubble 1924 galaxie d’AndromèdeJansky 1954 radiogalaxiesHewish & Bell 1967 pulsarsMatthews & Sandage 1969 quasarsKoshiba 1987 neutrinos de supernovaMayor 1995 planètes extra-solaires

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Les trois paradigmes

– Les deux mondes d’Aristote : monde sublunaire et cosmos

– La physique classique : Copernic, Kepler, Galilée, Newton

– Le big bang ( Hoyle ~ 1950 ): Einstein, Lemaître, Friedmann, Hubble, Gamow

Cosmologiede Chéseaux 1744 paradoxe de la nuit noireOlbers 1826 — ,, —Slipher 1922 fuite des galaxiesHubble 1929 expansion de l’UniversGamow 1946 univers primordial chaudPenzias & Wilson 1965 rayonnement à 3 KSmoot, satellite COBE 1990 (An)isotropie du rayonnementGroupes Supernovae 2002 accélération de l’expansionWMAP 2003 Composition de l'Univers

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Instruments & Rayonnements (Messagers)

oeil, lunettes (Galilée), télescopes, grands observatoires,

optique adaptative, interférométrie, espace, spectroscopes

E-ELT

VLT (Chili)

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Fenêtre atmosphérique

Radio-astronomie, infra-rouge, UV, micro-ondes, X, gammas

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Hubble

Very Large Array

HESS

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Hydrogène neutre

(21 cm),

rayonnement synchrotron

Rayonnement

à 2,7 K

molécules

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Poussières,

astres en formation

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Etoiles,

gaz ionisé par

étoiles chaudes

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Plasmas chauds

Interactions

particules-particules

particules-rayonnement

Le ciel en gamma (FERMI)

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Spectre EM complet

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Messagers : Matière et autres

Météorites :

– composition chimique et âge du système solaire

– Biot XIXe siècle

Rayons cosmiques

– Hess 1911

– AMS ; Auger

Neutrinos

– SNO, Amanda, Antares

Ondes gravitationnelles

– LIGO, VIRGO, (LISA)

Meteor Crater

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Spectre Chargés

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Mesures de distances

Système solaire : exercice 1, radar

Etoiles proches : parallaxe

1 parsec (1’’ d’arc) = 3 × 1013 km = 3,262 années lumière ⇒ Mpc

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étoile la plus proche : Proxima du Centaure 1,3 pc

– Mesure possible jusqu’à ~ 50 pc

Satellite Hipparcos (CNES, 1990) :

– 120 000 étoiles jusqu’à 100 pc à 10% (+2.6M moins préc.)

– GAIA (ESA< 2013) : ×~100 , EUCLID (2020 ?) → 1010 sources

Méthodes astronomiques : comparer à un objet similaire

– la luminosité , ℒvraie = ℒapparente × distance²

• étoiles (bougies standards)

– le diamètre , Dvrai = Dapparent x distance

• amas d’étoiles, nébuleuses, galaxies

Bougies standards les plus précises :

– céphéides, étoiles variables ( T = 1 à 100 jours ) dont T = f(ℒ)

Hubble prouve qu’Andromède est une galaxie en 1924

– supernovae Ia , rares, ℒ constant (cf chap 3)

• accélération de l’expansion 2002

• Nom Manip SuperNoave ???

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Echelle de distances :

– parallaxes 0,0002 Mpc (200pc)

– céphéides 2 Mpc

– étoiles brillantes, amas 50 Mpc

– galaxies brillantes 1000 Mpc

– supernovae

Les incertitudes se répercutent

– Permanence des propriétés (spectroscopie stellaire, SN) ?

– Loi de Hubble V = H0×d admise pour les objets lointains...

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PLANETES, ETOILES ET GALAXIES

Système solaire :

– 8 (+ 1) planètes, 3000 astéroïdes (m>??), comètes

– Dimensions, masses : MJupiter = 318 × MTerre = M⨀ / 1047

Etoiles :

– Réactions thermonucléaires, dimensions et durée de vie très variées,

– 0,08 M⨀ < M < 60 M⨀

– Planètes extra-solaires

Nébuleuses et galaxies,

– Emmanuel Kant, Edgar Poe

– Nuages de Magellan, Voie lactée, forme et dimension :

– 30 kpc × 400 pc , ~ 1011 M⨀

Vincent.Boudry@in2p3.fr Introduction à la cosmologie (S2816) 28/32Cassiopée A (plus jeune reste supernovae de SN)

Andromède : Galaxy SpiraleIrrégulières (NGC 55)

Elliptique (NGC 1316, European Southern Observatory)

Spirale barrée (NGC 1365)

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Evaluation & Sujets oraux

Examen :

– Présentation individuelle de 10' + 10' de questions dans les prochains cours

• ~2 prés par cours :

– Examen oral individuel ~20' (exercices) le 16 mars.

– Note = Max (2 notes)

– Site & biblio :

• Bizarre Big Bang (html)

• Dossier CNRS (html)

Sujets (ordre ~chronologique)

– Satellite GAIA (page wikipédia + biblio)

– Rayons cosmiques (doc)

– Lentilles gravitationnelles (doc) et/ou EUCLID

– Trous noirs (pdf)

– Planètes extra-solaires (ps)

– Satellite Planck

– Votre idée… à discuster.

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Extras

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Transit de vénus

L'orbite de Vénus est inclinée de 3,4° par rapport à celle de la Terre

– Passage de venus (actuel : 105,5 / 8 / 121,5 / 8 suivant une période de 243 ans)

– a³/T² = M⨀G/4π² = cst → Rv/RT

– Transit de vénus, par triangulation → R⨀ , d(V,⨀), d(T,⨀)

Mesure de G (et MT, M⨀)

– pendule de Cavendish

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Mesure du Rayon de la Terre

– Eratostène → le puits

Diamètre de la lune

– Eclipse de Lune

• Cylindre ou cône

• 50 % ➘ 8 %

– + éclipse de soleil → D(T, ⨀)