Histoire de la cosmologie

Histoire de la cosmologie
Un cours offert aux étudiants
de la Faculté des lettres,
de la Faculté de biologie et de médecine,
de la Faculté de géosciences et environnement,
de la Faculté des sciences sociales et politiques et
de la Faculté de théologie et de sciences des religions
de l’Université de Lausanne
dans le cadre de « Sciences au carré »
Histoire de la cosmologie
Histoire de la cosmologie
13 – Invention du Big Bang
Prof. Georges Meylan
13.1 Le point de départ : Albert Einstein
13.2 Les trois pères fondateurs du BB :
Alexandre Friedmann, Georges Lemaître, George Gamow
13.3 Les trois preuves observationnelles du Big Bang :
l’expansion de l’Univers, la nucléosynthèse cosmologique, le CMB
Laboratoire d’astrophysique
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
Site web du laboratoire et du cours :
http://lastro.epfl.ch
Voir le fichier 13-InventionduBigBang.pdf sur le site web du laboratoire et du cours : http://lastro.epfl.ch
Histoire de la cosmologie
13 – L’invention du Big Bang
Bibliographie succincte
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GAMOW, George. The Creation of the Universe. New York : Viking Press, 1961.
LAMBERT, Dominique. Un atome d’Univers. La vie et l’œuvre de Georges
Lemaître. Bruxelles : Editions Lessius, 1999.
LEMAITRE, Georges. L’hypothèse de l’atome primitif. Neuchâtel : Editions du
Griffon, 1946.
LUMINET, Jean-Pierre. L’invention du Big Bang. Paris : Le Seuil, 1997.
POE, Edgar Allan. Eureka : A Prose Poem. Oxford : Benediction Classics, 1848.
TROPP, Eduard A. Alexander A. Friedmann : The Man who Made the Universe
Expand. Cambridge : CUP, 1993.
WEINBERG, Steven L. The First Three Minutes : A Modern View Of The Origin
Of The Universe. New York : BasicBooks, 1993.
13.1
Le point de départ :
Albert Einstein
Notre univers est en expansion
à partir d’une phase dense et chaude
Cosmologies statiques d’Einstein
L’ère de la cosmologie relativiste
commence en 1917 avec un papier d’Einstein
La théorie de la RG applicable à l’Univers tout entier.
La croyance en un Univers statique ne paraît pas devoir être mise
en doute, Einstein adopte tout naturellement l’hypothèse d’un
univers homogène et isotrope,
de densité constante dans l’espace et le temps.
Cette phase initiale a eu lieu voilà environ 14 milliards d’années
La vitesse de la lumière étant finie,
observer dans l’Univers
des objets de plus en plus lointains
revient à utiliser cet Univers
comme la plus fantastique machine
à remonter le temps
13.2
Les trois pères fondateurs
du Big Bang :
Alexandre Friedmann,
Georges Lemaître,
George Gamow
Existe-t-il
des preuves observationnelles
qui corroborent
la théorie du Big Bang ?
Les créateurs du Big Bang
Développements de trois théoriciens aux intuitions géniales :
Alexandre Friedmann (1888-1925)
Georges Lemaître
(1894-1966)
George Gamow
(1904-1968)
1922 - 1925
1925 - 1931
1948
Ce sont les trois véritables pères du Big Bang
Les 3 familles de modèles non statiques
de Friedmann
L’œuvre de Lemaître construite en 2 phases
•  Retrouve les solutions cosmologiques non statiques 1925
•  FRC :
•  « Un Univers homogène de masse constante et de rayon
croissant, rendant compte de la vitesse radiales des nébuleuses extragalactiques » Donne un sens physique aux
observations de Vr en les interprétant comme un indice
d’un Univers en expansion. 1927
0 < Λcrit < Λ
0 < Λ < Λcrit
Λ<0
Modèles de Lemaître d’Univers non statiques
•  Univers primordial de très grande densité → Big Bang
Génie de Lemaître
• 1931 Nature 127 706
« The beginning of the world from the point of view of quantum theory »
Nouveauté radicale:
lie la structure à grande échelle de l’Univers à la nature
intime des atomes, autrement dit, lie la physique de
l’infiniment grand à celle de l’infiniment petit.
Messier 31 ≡ galaxie d’Andromède
Loi de Hubble 1929
Loi de Hubble
v = H0 d
•  FRC :
Hubble retrouve
la loi de
proportionnalité
entre
la vitesse de récession
et
la distance
publiée par Lemaître
en 1927
en 1925, 1926, 1929
Hubble
fait passer 3 objets
du rang
de nébuleuse locale
à celui de
système stellaire
extragalactique
« Cela confirme la théorie des Univers-îles »
L’expansion de l’Univers
mesurée via les vitesses radiales
des galaxies (1929) :
première preuve observationnelle
du Big Bang
Gamow
véritable
lancement
de la théorie
du Big Bang
formation d’atomes :
- durant les premières minutes du BB?
- de façon continue dans les étoiles?
mais le mystère de l’abondance de
l’hélium primordial n’est expliqué que
par la théorie du Big Bang
(1964)
George Gamow
1904-1968
Nucléosynthèse cosmologique
Durant les 20 premières minutes de l’évolution de l’univers,
lors des phases initiales denses et chaudes,
des éléments tels que
le deutérium, l’hélium-3, l’hélium-4 et le lithium-7
ont atteint des abondances qui ne peuvent
pas être le résultat
des réactions nucléaires à l’intérieur des étoiles
Le rayonnement fossile à 3 K
fond diffus cosmologique
•  Friedmann
1922
Univers non statique
•  Lemaître
1925
Univers initialement très dense
•  Gamow et al.
1948
Univers initialement très chaud
En 1948,
Alpher et Herman poursuivent les calculs de Gamow :
ils prédisent qu’une radiation résiduelle
devrait être perçue aujourd’hui sous la forme
d’un rayonnement de « corps noir » refroidi par
l’expansion à la température de 5 K
La nucléosynthèse cosmologique
seule explique les abondances
des éléments légers, l’hélium,…
(1964) :
deuxième preuve observationnelle
du Big Bang
Le spectre du fond diffus cosmologique
fournit le corps noir le mieux mesuré
•  FRC :
observations
modèle
T = 2.725 ± 0.002 K
une courbe
de corps noir
à T = 2.725 K
ajuste
parfaitement
le spectre
de l’Univers
COBE 1990
Mather et al.
Nobel 2006
Notre univers était plus chaud dans le passé
l’observation de l’évolution du CMB
dévoile une augmentation de sa température
L’existence du fond
de rayonnement diffus cosmologique
avec un spectre de corps noir à la
température prédite (1965) :
T = 9,15 K à z = 2,42
Srianand, Petitjean, Ledoux,
2000 et 2008, A&A, 482, L39
troisième preuve observationnelle
du Big Bang
T0 = 2.725 K à z = 0
13.3
Les trois preuves
observationnelles
du Big Bang
Durant la seconde moitié du 20e siècle
la cosmologie est devenue
une science quantitative
fruit des constributions des quatre disciplines:
mathématiques, astronomie, physique, chimie
(i) l’expansion de l’Univers (1929)
(ii) la nucléosynthèse cosmologique (1964)
(iii) le fond de rayonnement diffus cosmologique (1965)
des faits observationnels acquis
Fluctuations prédites par Sachs & Wolfe (1967)
Les contraintes observationnelles
acquises durant ces deux dernières décennies
confirment le paradigme du Big Bang
COBE-DMR 1992
FDC à 53 GHz
Cobe WMAP
Smoot et al. Nobel 2006
Fluctuations
de ~ 30 µK autour
de la température
moyenne 2.725 K
•  Fond de rayonnement diffus d’origine
cosmologique (COBE, WMAP)
CMB
•  Structure à grande échelle de la distribution
des galaxies (SDSS, 2dF)
LSS
•  Relation distance-luminosité des
supernovae (SCP, SLS)
SN Ia
δT/T ~ 10-5
Ces variations en
température
impliquent des
variations en densité
WMAP 2003, 2006
FDC à 53 GHz
Formation de structures à grandes échelles via des instabilités gravitationnelles
2dFGRS
Univers homogène et isotrope
Simulations du consortium Virgo
z=0
z=1
1) ΩCDM matière sombre
2) ΩΛ énergie sombre
z=3
SCDM
(attractive)
(répulsive)
connu
inconnu
Ωb
inconnu
Pommepie
ΩCDM
73 % Dark Energy
ΛCDM
23 % Cold Dark Matter
ΩΛ
4 % Atoms
Les structures à grandes échelles offrent des tests
discriminants des différents modèles cosmologiques
Voilà 80 ans environ
que le paradigme
d’un Univers évolutif, ayant vécu
une phase très chaude et très dense,
est confronté aux observations
de plus en plus précises,
quantitatives, non plus qualitatives :
Le Big Bang offre actuellement
la meilleure explication scientifique
de ces observations contraignantes
Différents modèles d’Univers vont permettre ou non
l’apparition lente de la vie
facteur
échelle
La vie ne peut se développer
dans un univers que si ses
conditions initiales le permettent
14
temps
CERN-LHC-ATLAS in operation from 2008 on
Albert Einstein
Out of my late years
Philosophical Library New York 1950