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LA COSMOLOGIE 1

LA COSMOLOGIE 1. SCIENCE DE L’ UNIVERS. Philippe Magne. De quoi s’agit-il ?. Aujourd’hui, contrairement à ce qui était admis jadis l’univers n’est pas statique et immuable, mais en perpétuelle. EVOLUTION Des évènements d’une

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LA COSMOLOGIE 1

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Presentation Transcript

  1. LA COSMOLOGIE 1 SCIENCE DE L’ UNIVERS Philippe Magne

  2. De quoi s’agit-il ? Aujourd’hui, contrairement à ce qui était admis jadis l’univers n’est pas statique et immuable, mais en perpétuelle. EVOLUTION Des évènements d’une extrême violence se produisent

  3. Que peut nous dire cette Science ? Elle tente d’expliquer comment l’univers évolue, mais ne peut répondre à la question: POURQUOI EXISTE – T – IL ? Elle aboutit plutôt à un historique hautement vraisemblable.

  4. MODELES • L’ évolution de l’univers est à la fois géométrique, thermique et physico–chimique. • Le Big Bang fournit le modèle le plus vraisemblable.

  5. MODELES ( suite ) • Le modèle inflationnaire tente de décrire les premiers instants de l’univers. • Mais on est dans l’attente d’ une théorie quantique de la gravitation qui décrirait l’ état premier.

  6. QUE NOUS REVELE L’OBSERVATION ? • Que toutes les galaxies semblent nous fuir avec une vitesse de récession proportionnelle à la distance . • On en déduit que: dansun passéfini,toutes lesdistances se sont annulées. C’EST L’ORIGINE ARBITRAIRE DU TEMPS COSMIQUE.

  7. COMMENT A-T-ON OBTENU LA LOI VITESSE – DISTANCE ? Pour la vitesse : en mesurant le décalage spectral de la lumière émise par les galaxies lointaines, qui en première approximation peut être assimilé à un EFFET DOPPLER – FIZEAU, si le décalage n’est pas trop grand. Pour la distance : par la luminosité apparente d’astres étalons de luminosité absolue connue( explosions de super novae) ( LOI EN INVERSE DU CARRE DE LA DISTANCE).

  8. LA COSMOLOGIE 2 SCIENCE DE L’ UNIVERS Philippe Magne

  9. RAYONNEMENTS NOUS PARVENANT DE L’UNIVERS • Depuis l’avènement des satellites les observations révèlent que tout le spectre électromagnétique est concerné. • Des particules massiques de très hautes énergies nous parviennent aussi.

  10. LE TELESCOPE SPATIAL HUBBLE NASA 11.5 tonnes 1990

  11. BANDES E.M. OBSERVEES • Millimétriques, fréquences : 90 GHz, 150 GHz, 240 GHz, 400GHz • Le plus vieux rayonnement émis lorsque l’ univers avait seulement 300000 ans. Infrarouges : 0.1mm > lambda > 750nm Visibles : 750nm > lambda > 400 nm Ultraviolets : 400nm > lambda > 10 nm Rayons X : 10 nm > lambda > 0.1 nm Rayons Gamma: lambda < 0.05 nm • Télescope français SIGMA, satellite russe GRANAT.Ce sont des sursauts qui ont été observés.

  12. SURSAUTS GAMMA

  13. FOND DIFFUS COSMOLOGIQUE( FDC ou BRUIT COSMIQUE 3K )EN ONDES MILLIMETRIQUES Reliquat d’un passé très chaud de l’univers prévu par Georges Gamow en 1948 découvert par inadvertance par Penzias et Wilson en 1978 Bell Labs. observé et analysé par le satellite COBE de la NASA lancé en 1989 se présente comme un bruit de fond semblable à l’herbe des radaristes.

  14. CARACTERISTIQUES DU FDC • Emis au moment de la transition de phase opacité–transparence de l’univers (300000ans ). • Spectre de corps noir conforme au calcul de Planck en 1901. Température 2.726 K. • Fréquence du maximum du spectre: 160 GHz parfaite isotropie moyenne petites anisotropies angulaires : 70 micro K.

  15. BRUIT COSMIQUE VU A L’OSCILLOSCOPE

  16. AUTRE PROPRIETE DU FDC Sa parfaite isotropie permet à un observateur de connaître sa vitesse propre par rapport à l’ensemble de la matière cosmique en mesurant deux températures de bruit. Ce sont celles du dipôle d’ anisotropie dû à un effet Doppler-Fizeau. Pour la Terre on a trouvé un écart de 3. 343mK, d’ où sa vitesse : 365 km par seconde.

  17. LE SATELLITE COBE DETECTE LES RAYONNEMENTS EMIS AU TOUT DEBUT DE L ‘UNIVERS ( NASA lancé en 1989 )

  18. INTERPRETATION RELATIVISTE • La fuite des galaxies est interprétée en Relativité Générale comme une expansion de l’espace lui même, et non comme un mouvement des galaxies à travers l’espace. • Les galaxies sont immobiles dans le référentiel des coordonnées comobiles ( voir l’analogie proposée par Arthur Eddington en 1933 ). • Le principe cosmologique énoncé par Milne en 1933 stipule que: « toutes les places sont pareilles dans l’univers. » • L’univers n’a pas de centre, ou encore, son centre est partout et nulle part à la fois. • Einstein proclame que les lois de la nature y sont perçues pareillement.

  19. ISOTROPIE HOMOGENEITE DE L’UNIVERS • La première est déduite de l’observation. • La deuxième est hautement vraisemblable. • CONSEQUENCES DE LA LOI LINEAIRE:vitesse – distance: en Relativité Générale, elle est sans limite et peut être supérieure à celle de la lumière. • La vitesse de récession est à considérer comme une vitesse géométrique de l’expansion de l’espace. La constante de proportionnalité s’appelle : La constante de Hubble H.

  20. SPHERE DE HUBBLE

  21. LE REFERENTIEL COMOBILE • Repère de coordonnées (ou observateur ) qui suit l’expansion de l’univers: • Il est affecté d’un temps cosmique unique; sa vitesse propre est petite, voire nulle par rapport à l’ensemble de la matière cosmique. Il constate que le dipôle du FDC est nul. • Dans ce référentiel les coordonnées des galaxies ne changent pas mais les distances métriques s’accroissent comme le facteur d’échelle.

  22. SCIENCE DE L’ UNIVERS Philippe Magne LA COSMOLOGIE 3

  23. AVERTISSEMENT L’intérêt de cette partie est plutôt historique, surtout pédagogique pour comprendre, en gros, la démarche d’Einstein lorsqu’ il appliqua la Relativité Générale à la cosmologie, convaincu que la géométrie de l’ espace dépend de son contenu de matière énergie, cette géométrie pouvant d’ailleurs être courbe. Bien noter que l’observation n’avait pas encore révélé de façon certaine que l’ univers est en EXPANSION . Nous aborderons ensuite la concordance entre les observations et les travaux des théoriciens qui permit d’ affirmer que l’univers est bien en EXPANSION.

  24. GRAVITATION ET GEOMETRIE L’UNIVERS STATIQUE d’Einstein Bien que détenteur d’idées extrêmement originales, Einstein acceptait le sens commun selon lequel l’univers est statique et immuable. Pour tenir compte de cette idée préconçue, il lui fallut introduire de façon ad-hoc une force répulsive pour annuler l’attraction de Newton, évitant ainsi que l’univers ne s’effondre sur lui même. Cette force fut construite à partir d’une constante que l’on appela, par la suite, CONSTANTE COSMOLOGIQUE.

  25. LE REFERENTIEL QUI S’IMPOSE

  26. VISUALISATION D’UNE SURFACE DE L’ESPACE COURBEd’Einsteintrès bien décrit par Henri Andrillat ( L’ univers sous le regard du temps,Masson 1993 )

  27. CONCEPT D’ESPACE COURBE AVEC COURBURE POSITIVE OU NEGATIVE

  28. Comment une courbure peut elle être négative ? Le signe moins vient de ce que la courbure est l’inverse du produit de deux rayons de courbure dont l’un est intérieur et l’autre est extérieur, l’un des deux peut être négatif pour des raisons mathématiques qui sortent de cet exposé.

  29. EXPANSION DE L’ UNIVERS L’existence de cet extraordinaire phénomène fut accepté par la communauté scientifique lorsque de nombreuses observations confirmèrent le décalage des raies spectrales vers le rouge et que les travaux des théoriciens mirent en doute le parfait équilibre de la gravitation et de la force répulsive introduite par Einstein à l’aide de sa constante cosmologique. Nous montrerons que ce décalage tout d’abord attribué à un effet de vitesse Doppler-Fizeau est plutôt un effet de distance dû à l’expansion de l’espace lui même qui étire les longueurs d’onde. On l’appelle aussi red-shift , notation z.

  30. LES EXPERIMENTATEURS Vesto Slipher: montra en 1923 que sur 41 galaxies observées, la lumière de 36 d’entre elles étaient affectées d’un décalage vers le rouge et que pour les 5 autres le décalage était vers le bleu, ce qui montrait que de façon majoritaire les galaxies nous fuient. Edwin Hubble :grâce au télescope du mont Wilson (1918 ), il put annoncer que les nébuleuses dont on ne savait pas de quoi elles étaient faites, étaient d’immenses systèmes d’étoiles semblables à notre propre galaxie.

  31. Edwin Hubble ( suite ) :il fut aussi le métreur de l’univers en perfectionnant l’art des mesures de distances dont Harlow Shapley avait été le pionnier il confirma en 1929 la réalité de l’expansion sans l’ avoir pourtant découverte. Milton Humason, Nicolas Mayall, AllanSandage: Ils ont analysé 800 galaxies présentant des décalages allant jusqu’ à z= 0.2, confirmant la réalité de l’expansion.

  32. LES THEORICIENS Willem de Sitter : prédit en 1917 un déplacement systématique des raies spectrales vers le rouge en utilisant les équations de la RG. Alexandre Friedmann, l’Abbé Georges Lemaitre (1922, 1924 ) : leurs travaux contiennent l’essentiel de ce que l’on appelle aujourd’hui improprement la théorie du Big Bang. Howard Robertson , Arthur Walker(1935,36): Auteurs d’une remarquable métrique: « INITIALES DONNEES A TOUS CES TRAVAUX FLRW ».

  33. LES AVATARS DE LA THEORIE DE L’EXPANSION( encore appelée théorie du Big Bang ) Née avant 1930, le principal aspect qu’a conservé cette théorie est phénoménologique, interviennent de façon cruciale les grandeurs observables et leurs combinaisons. Le destin prévisionnel de l’univers resta longtemps suspendu entre 3 éventualités possibles: •fermé et limité dans le temps par un Big Crunch. •ouvert et éternel, tendant vers le statisme. •ouvert et éternel, en expansion sans fin . Les contradictions qui ont surgi, suite au progrès des observations, ont amené aujourd’hui à adopter un nouveau modèle à expansion accélérée et éternel (1995-1998).

  34. COSMOLOGIE ET MANIERES DE PENSER Avant d’aborder le formalisme de la cosmologie, il paraît souhaitable d’ avertir comment il convient d’orienter au mieux sa façon de penser. L’ histoire de l’univers se subdivise très en gros en deux : dans la phase actuelle de l’expansion, il faut adopter les idées relativistes. dans la phase primordiale, en se rapprochant de la singularité initiale, ce sont plutôt celles de la mécanique quantique.

  35. OPINIONS La nature inobservable de l’espace demande qu’aucune direction ou axe du monde , centre du monde, ne puisse être défini ou identifié Michel Cassé La Relativité de l’espace et du temps n’est pas la chose essentielle, c’est l’indépendance des lois de la nature du point de vue de l’observateur Arthur Sommerfeld La théorie de la Relativité, en un sens, je pense au fond qu’il aurait été préférable de l’appeler la théorie de l’absolu Victor Weisskopf

  36. La matière dicte à l’espace sa courbure et l’espace dicte à la matière son mouvement. Archibald Wheeler La comobilité c’est l’immobilité au sens d’un espace qui lui est mobile. Laurent Nottale La lumière ressemble à un coureur sur une piste qui s’étirerait et dont le poteau d’arrivée reculerait plus vite qu’il ne peut courir. Arthur Eddington Le red-shift est quelque chose qui advient à la lumière pendant son voyage dans l’espace en expansion, mais qui n’est pas un effet Doppler- Fizeau. Erwin Schroedinger

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