mise à jour le 20 Juillet 2005

 

 

 

"L'UNIVERS DE LA COSMOLOGIE MODERNE"

par Jean Michel ALIMI
Astrophysicien, Directeur du LUTH, Observatoire de Paris

MARDI 12 JUILLET 2005
Le siècle d'Einstein à l'UNESCO   Paris

 

 

 

Photos : JPM. Pour l'ambiance

 

Je ne propose que des comptes rendus succincts de ces conférences, le site http://einstein2005.obspm.fr/indexp.html devrait mettre en ligne le texte de toutes les conférences bientôt.

 

 

BREF COMPTE RENDU

 

 

 

La cosmologie est une science qui peut être testée (et contestée donc) comme nous l'indique JM Alimi.

Il va en dresser le cadre général à l'aide de deux citations :

 

Connaître l'Univers c'est l'inventer.

La cosmologie moderne renouvelle la vérité scientifique.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Les principes fondamentaux de la cosmologie moderne.

 

Il y a trois principes fondamentaux :

                   ** Le principe de covariance généralisé

                   ** Le principe d'équivalence.

                   ** Le principe cosmologique.

 

** Le principe de covariance généralisé a débuté avec Galilée en mécanique classique et Lorentz en relativité restreinte.

Cela veut simplement dire que les lois de la nature sont les mêmes dans deux référentiels en mouvement l'un par rapport à l'autre (pensez à l'expérience du bateau de Galilée), et plus généralement :

les équations préservent leur forme sous une transformation générale des coordonnées.

La relativité générale a pour objectif de construire une description de la nature, invariante dans tout système de coordonnées.

 

** Le principe d'équivalence établit l'égalité entre masse inertielle (résistance au mouvement, celle de F= M Γ) et la masse "grave" (qui définit le mouvement des corps massifs, celle de F = k MM'/d2)

 

D'où la formulation : un champ de gravité peut être annulé par un champ d'accélération, c'est la fameuse expérience de l'ascenseur d'Einstein : dans un ascenseur on ne peut pas dire si la force qui s'exerce sur nous est due

·        à la gravitation ou

·        à une accélération constante de l'ascenseur.

Ce fait a été testé jusqu'à 10-12.

 

Une conséquence : tous les corps tombent de la même façon dans le vide.

 

** Le principe cosmologique introduit le fait que nous n'occupons pas de place privilégiée dans l'espace (au Moyen Age on aurait été brûlé pour dire cela, pensez à Giordano Bruno!).

L'Univers est homogène et isotrope (à grande échelle bien sûr, soit au delà de 100Mpc).

Les mesures du bruit de fond cosmologique (CMB) conforte l'hypothèse d'isotropie (les photons nous parviennent de toutes les directions à 10-5 près.)

Ce principe permet de définir un temps cosmique

 

L'évolution de notre Univers est décrit par la théorie de la Relativité Générales (RG) d'Einstein et par la fameuse formule :

 

 

Cette formule comme vous devez le savoir maintenant lie les propriétés géométriques de l'espace (partie gauche) au contenu énergétique (partie droite).

 

L'Univers devient un objet physique comme les autres, il est dynamique (fuite des galaxies : en fait c'est le support qui se dilate!), et tout cela nous mène à ce que l'on appelle le modèle standard de la cosmologie.

 

 

Les étapes du modèle standard.

 

 

(dessin de Hugh Rollinson)

Le modèle démarre 10-43sec après la singularité (Big Bang), c'est le temps de Planck au dessous duquel nous ne sommes pas capables d'aller n'y de décrire ce qui pourrait s'y passer. Les lois de la physique ne s'y applique plus.

 

Immédiatement après cette création initiale s'est produite une phase d'inflation énorme qui a fait se dilater exponentiellement l'espace.

L'Univers est maintenant une soupe de particules, il est opaque.

 

La température baissant en se dilatant (principe du réfrigérateur), il arrive un moment où les particules se combinent entre elles donnant naissance aux protons neutrons électrons etc. bref la nucléosynthèse primordiale est en marche., l'Univers devient soudainement transparent, il est approximativement 300.000ans après la naissance, il fait (seulement) 3000°K

 

.

C'est cette première lumière dont on voit les restes dans le bruit de fond cosmologique.

 

Après il se passe presque peu de choses : création des étoiles et galaxies (phase ré ionisation) puis nous.

 

Je vous conseille de faire imprimer ce très beau poster du CERN sur l'histoire de l'Univers, il est beaucoup plus détaillé que le petit schéma inclus ci dessus.

 

L'Univers de la cosmologie moderne.

 

La cosmologie devient précise , on peut déterminer les quelques périodes fondamentales de l'Univers.

Big Bang : 13,7 Milliards d'années (+/- 0,2 milliard).

La transparence (le découplage ce que moi j'appelle le Big Flash!) : 379.000 ans (+ 8000 – 7000 ans)

La ré ionisation phase de création des premières populations d'étoiles : 180 Millions d'années (+220 –80 millions d'années).

 

La densité de l'Univers (ou sa courbure ce qui revient au même) est accessible, elle vaut avec les mesures actuelles :

 

ΩTOT = 1,02 +/- 0,2

 

Donc l'Univers est presque plat, légèrement courbé positivement.

 

Comment se forment les étoiles et les galaxies?

 

Les légères différences de densité (et de température) de l'Univers primordial ont été gonflées par l'inflation (fluctuations quantiques).

 

 

 

 

Elles provoquent une instabilité gravitationnelle, la matière se condense.

Il y a structuration progressive et effondrement.

 

 

 

Les premières étoiles s'allument 200 millions d'années après le BB.

 

 

 

 

De plus en plus d'étoiles naissent, les galaxies apparaissent naturellement.

 

 

 

 

À notre époque des milliards et des milliards de galaxies existent fruits des petites graines du départ.

Introduction de la notion de matière noire et d'énergie noire composantes dominantes de l'Univers.

 

 

 

 

Les simulations numériques jouent un rôle important dans l'étude des structures de l'Univers.

Bien entendu je ne peux pas les inclure ici (trop gourmande en MB) mais si vous êtes intéressés voici une sélection.

 

Il existe un consortium international, Virgo qui s'est spécialisé dans ces simulations d'Univers, voici quelques pages :

Page accueil de Virgo

Liste de simulations à télécharger du projet Millennium de Virgo.

Dark matter simulation: 10MB en avi. Impressionnant.

Simulation à Los Alamos de matière noire : http://qso.lanl.gov/pictures/cdm100e.mpg  (2MB)

Exemple de formation de galaxies en français.

 

Il est important de comprendre l'origine des galaxies, car c'est aussi comprendre notre propre origine.

 

Conclusions.

 

Les objectifs de la cosmologie moderne :

         Obtenir une description physique de l'Univers et de sons contenu matière/énergie.

         Mesurer les paramètres cosmologiques décrivant cet univers.

         Comprendre l'origine et l'évolution des structures cosmiques : galaxies, étoiles.

         Comprendre les processus physiques liés au tout début de l'Univers lors des conditions extrêmes de densité et de température.

 

Il reste des questions ouvertes :

         L'Univers est en expansion accélérée (preuve par les SN Ia) : quel est exactement le moteur de cette accélération?

         Qu'est ce que l'énergie noire (ou sombre : dark energy en anglais)? Est ce une constante cosmologique; le résultat des modifications des propriétés physiques et géométriques de l'espace-temps; des dimensions supplémentaires; etc..

         Nature et origine de l'inflation du début de l'Univers.

         Quelle est la cohérence entre l'infiniment petit et l'infiniment grand?

         Et la singularité initiale????

 

 

Nous n'aurons pas les réponses aujourd'hui, mais beaucoup de gens cherchent, on trouvera c'est sûr et il y aura d'autres questions….

 

 

POUR ALLER PLUS LOIN :

 

Cours "Cosmology" par l'Université de l'Oregon : superbement clairement fait presque à la portée de tout le monde (anglais of course)

 

Introduction à la cosmologie par le site du satellite WMAP qui a mesuré le bruit de fond cosmologique : simple (anglais)

 

"Le Big Bang et l'origine de la matière" sur le site de Bernard Lempel.

 

Cours sur le hot big bang par l'Université de Tübingen. (anglais)

 

Histoire du concept de gravitation par Sébastien Charnoz (français).

 

L'histoire du Big Bang par le CERN. (anglais) avec le poster.

 

Einstein : un résumé en français de son œuvre sur les relativités et les quanta.

 

Calcul du temps de Planck par C Magnan.

 

 

Sur ce site consulter les archives astrophysique et cosmologie et aussi :

 

"Et la lumière fut, ou l'histoire du Big Bang" par votre serviteur c'est une présentation PPT visible sur Internet; une explication simple de l'histoire de l'Univers presque sans formule de math. À voir pour un premier contact.

 

"L'énigme de la matière noire" conférence d'Alain Bouquet.

 

"La relativité, Galilée, Einstein, Poincaré" conférence de Françoise Balibar à la SAF.

 

"La théorie de l'inflation" conférence de Nathalie Deruelle à la SAF.

 

 

 

 

 

 

 

 

C'est tout pour aujourd'hui!

 

 

Bon ciel à tous

 

 

Jean Pierre Martin   www.planetastronomy.com