Histoire de la cosmologie
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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
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 :
Prof. Georges Meylan
l’expansion de l’Univers, la nucléosynthèse cosmologique, le CMB
Laboratoire d’astrophysique
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne
Voir le fichier 13-InventionduBigBang.pdf sur le site web
Site web du laboratoire et du cours : du laboratoire et du cours : http://lastro.epfl.ch
http://lastro.epfl.ch
Histoire de la cosmologie
13 – L’invention du Big Bang
Bibliographie succincte 13.1
• GAMOW, George. The Creation of the Universe. New York : Viking Press, 1961.
• KUMAR, Manjit. Quantum : Einstein, Bohr, and the Great Debate about the
Nature of Reality. New York : W. W. Norton & Co., 2008. Le point de départ :
• 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.
Albert Einstein
• 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.
Einstein Cosmologies statiques d’Einstein
RR en 1905
• FRC : RG en 1915 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,
Albert Einstein de densité constante dans l’espace et le temps.
1879-1955
Notre univers est en expansion
à partir d’une phase dense et chaude
L’explication cosmologique actuelle :
La théorie du
Big Bang
en un raccourci schématique
Cette phase initiale a eu lieu voilà environ 14 milliards d’années
Notre univers est en expansion
à partir d’une phase dense et chaude
son observation dévoile l’évolution des galaxies
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
Cette phase initiale a eu lieu voilà environ 14 milliards d’années
Existe-t-il 13.2
des preuves observationnelles Les trois pères fondateurs
qui corroborent
du Big Bang :
la théorie du Big Bang ? Alexandre Friedmann,
Georges Lemaître,
George Gamow
Les créateurs du Big Bang
Friedmann fondateur
de la cosmologie
Développements de trois théoriciens aux intuitions géniales : non statique
• FRC :
Alexandre Friedmann (1888-1925) 1922 - 1925
Georges Lemaître (1894-1966) 1925 - 1931
George Gamow (1904-1968) 1948
Ce sont les trois véritables pères du Big Bang
A. Friedmann
1888-1925
Un étudiant extrêmement brillant
en mathématiques pures et appliquées
talentueuse volée à l’Université de Saint-Petersbourg comprenant entre autres L’Univers avant Friedmann
V. V. Bulygin, M. F. Petelin, V. I. Smirnov, Y. D. Tamarkin
facteur
« A. A. Friedmann had a real talent for mathematics, but he was not satisfied
solely with the study of the mathematical world of numbers, space and functional échelle
relations between them. The world studied by theoretical and mathematical
physics was not sufficient for him neither. His ideal was to observe the real
world and create a mathematical apparatus which would allow us to formulate the
laws of physics with adequate generalization and depth, and then, to predict new
laws to be confronted with observations.
He chose the study of the atmosphere which, according to him, is an immense
laboratory for which mathematics has prepared a method of study in the form of
potential theory. »
A. F. Gavrilov’s reminiscences
in A.A. Friedmann biography
by E.A. Tropp, V.Y. Frenkel, and A.D. Chernin
temps
In 1913, A.A.F. joins the Main Physical Observatory in meteorology in Pavlovsk
Les 3 familles de modèles non statiques Expansion de l’univers (RG)
de Friedmann
# R˙ & 2 8π G Λ k
R(t) dépend de 3 termes:
2
H ≡% ( = ρm + − 2 -terme lié à la matière
• FRC : -constante cosmologique
$ R' 3 3 R
-terme lié à la courbure
k = –1, 0, +1 pour un univers ouvert, plat, fermé
évaluation cette équation de Friedman à l’époque présente et division par H02
€
8π G Λ k
Ωm ≡ ρm 0 ΩΛ ≡ Ωk ≡ −
3H 02 3H 02 R H 02
2
0
0 < Λcrit < Λ 0 < Λ < Λcrit Λ
Lemaître«pourIl yparvenir
avait deux voies L’œuvre de Lemaître construite en 2 phases
à la vérité
et j’ai décidé
de les emprunter • Retrouve les solutions cosmologiques non statiques 1925
• FRC : toutes les deux »
• « Un Univers homogène de masse constante et de rayon
abbé et astrophysicien
croissant, rendant compte de la vitesse radiales des nébu-
père du Big Bang leuses extragalactiques » Donne un sens physique aux
observations de Vr en les interprétant comme un indice
d’un Univers en expansion. 1927
Georges Lemaître • Univers primordial de très grande densité → Big Bang
1894-1966
Modèles de Lemaître d’Univers non statiques
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.
Einstein met beaucoup de temps a accepter
dévoile
l’idée d’un Univers en expansion Hubble la nature
voir ces deux commentaires réelle
• FRC : des nébuleuses :
Au sujet de Friedmann : extragalactiques
Après le premier papier de Friedmann de 1922, Einstein publie une brève note
prétendant avoir trouvé une erreur, mais lorsqu’il s’avère que c’est lui, Einstein, qui 1925-1929
commet une erreur, il écrit en 1923 : « […] les équations du champ admettent
[…] des solutions dynamiques […] auxquelles il est à peine possible d’attribuer
une signification physique. »
Au sujet de Lemaître :
En 1927, lors d’une conservation entre Einstein et Lemaître, le premier rejette les
solutions d’Univers en expansion, comme physiquement inacceptables, et dit au Edwin Hubble
second : « Vos calculs sont corrects mais votre physique est abominable. »
1889-1953
Messier 31 ≡ galaxie d’Andromède
détermine
Hubble la loi de
proportionnalité
• FRC : entre
la vitesse de
récession et
la distance
en 1925, 1926, 1929
Hubble
fait passer 3 objets
du rang
de nébuleuse locale
à celui de Edwin Hubble
système stellaire 1889-1953
extragalactique « Cela confirme la théorie des Univers-îles »
univers en expansion: Loi de Hubble 1929
toutes les galaxies s’éloignent de toutes les galaxies 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
Hubble Space Telescope has found what is likely to be the most distant and ancient galaxy Hubble Space Telescope has found what is likely to be the most distant and ancient galaxy
ever seen, whose light has taken 13.2 billion years to reach us ( z ~ 10). ever seen, whose light has taken 13.2 billion years to reach us ( z ~ 10).
Candidate galaxy UDFj-39546284
L’expansion de l’Univers
mesurée via les vitesses radiales
des galaxies (1929) :
première preuve observationnelle
du Big Bang
véritable
Gamow lancement
de la théorie
Nucléosynthèse cosmologique
du Big Bang
Durant les 20 premières minutes de l’évolution de l’univers,
formation d’atomes :
- durant les premières minutes du BB?
lors des phases initiales denses et chaudes,
- de façon continue dans les étoiles? des éléments tels que
mais le mystère de l’abondance de le deutérium, l’hélium-3, l’hélium-4 et le lithium-7
l’hélium primordial n’est expliqué que
par la théorie du Big Bang
(1964)
ont atteint des abondances qui ne peuvent
pas être le résultat
George Gamow des réactions nucléaires à l’intérieur des étoiles
1904-1968
Le rayonnement fossile à 3 K
La nucléosynthèse cosmologique fond diffus cosmologique
seule explique les abondances • Friedmann 1922 Univers non statique
des éléments légers, l’hélium,… • Lemaître 1925 Univers initialement très dense
(1964) : • Gamow et al. 1948 Univers initialement très chaud
En 1948,
deuxième preuve observationnelle Alpher et Herman poursuivent les calculs de Gamow :
ils prédisent qu’une radiation résiduelle
du Big Bang devrait être perçue aujourd’hui sous la forme
d’un rayonnement de « corps noir » refroidi par
l’expansion à la température de 5 K
Les spectres de corps noirs
de différentes températures stellarobservations
black body une courbe
de corps noir
à T = 5350 K
• FRC : Loi de Planck 1900 • FRC : ajuste
raisonnablement
modèle bien
le spectre
d’une étoileLe spectre du fond diffus cosmologique Notre univers était plus chaud dans le passé
fournit le corps noir le mieux mesuré l’observation de l’évolution du CMB
dévoile une augmentation de sa température
• FRC : une courbe
de corps noir
observations à T = 2.725 K
ajuste
parfaitement
modèle le spectre T = 9,15 K à z = 2,42
de l’Univers Srianand, Petitjean, Ledoux,
2000 et 2008, A&A, 482, L39
T = 2.725 ± 0.002 K COBE 1990 T0 = 2.725 K à z = 0
Mather et al.
Nobel 2006
Differential Microwave Radiometer DMR
a microwave instrument that would map variations (or anisotropies) in the CMB
PI : George Smoot
Projection de Karl Mollweide 1805
resolution = 7 degreesThe detailed, all-sky picture of the infant universe created from nine years of WMAP data.
The image reveals 13.77 billion year old temperature fluctuations (shown as color
differences) that correspond to the seeds that grew to become the galaxies.
The signal from the our Galaxy was subtracted using the multi-frequency data.
Planck 2013 : le rayonnement fossile
This image shows a temperature range of ± 200 microKelvin. le signal cosmologique d’arrière-plan
resolution = 0.3 degrees resolution = 0.08 deg = 5 arcmin
spectre de puissance de Planck
amélioration de la résolution angulaire grandes échelles petites échellesspectre de puissance de WMAP spectre de puissance de WMAP
soutient fortement la théorie dite d’inflation
Ωm
Ωtot= 1
grandes échelles petites échelles grandes échelles petites échelles
L’existence du fond 13.3
de rayonnement diffus cosmologique
avec un spectre de corps noir à la Les trois preuves
température prédite (1965) : observationnelles
troisième preuve observationnelle
du Big Bang
du Big BangDurant la seconde moitié du 20e siècle Les contraintes observationnelles
la cosmologie est devenue acquises durant ces deux dernières décennies
confirment le paradigme du Big Bang
une science quantitative
fruit des constributions des quatre disciplines:
• Fond de rayonnement diffus d’origine
mathématiques, astronomie, physique, chimie cosmologique (COBE, WMAP) CMB
• Structure à grande échelle de la distribution
(i) l’expansion de l’Univers (1929) des galaxies (SDSS, 2dF) LSS
(ii) la nucléosynthèse cosmologique (1964) • Relation distance-luminosité des
(iii) le fond de rayonnement diffus cosmologique (1965) supernovae (SCP, SLS) SN Ia
des faits observationnels acquis
Notre univers est en expansion accélérée Un univers en expansion accélérée
à partir d’une phase dense et chaude
Cette phase initiale a eu lieu voilà environ 14 milliards d’annéesFluctuations prédites par Sachs & Wolfe (1967)
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
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
Planck 2013 : le rayonnement fossile
2dFGRS
le signal cosmologique d’arrière-plan
Univers homogène et isotrope
resolution = 0.08 deg = 5 arcminSimulations du consortium Virgo
z=0 z=1 z=3
SCDM
ΛCDM
Les structures à grandes échelles offrent des tests
discriminants des différents modèles cosmologiques
Voir le site web : http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/
Simulations cosmologiques LASTRO-EPFL
Voir le site web : http://www.mpa-garching.mpg.de/galform/millennium/avant 1998 avant 1998
connu connu
Ωb Ωb
inconnu inconnu
Pommepie
ΩCDM 23 % Cold Dark Matter Pommepie
ΩCDM 96 % Cold Dark Matter
4 % Atoms 4 % Atoms
1) ΩCDM matière sombre (attractive)
2) ΩΛ énergie sombre (répulsive)
connu
Ωb inconnu
inconnu
Pommepie
ΩCDM
73 % Dark Energy
23 % Cold Dark Matter
ΩΛ 4 % Atoms
avant le satellite Planck après le satellite PlanckUn univers en expansion accélérée sous l’effet répulsif de l’énergie sombre
Deux très grandes inconnues
• FRCSeuls
: environ 4 % de la matière-énergie dans
l’Univers sont bien compris: les atomes dont
nous sommes constitués.
Les 96 % restants échappent encore à notre compréhension…
Voilà 80 ans environ L’homme s’est trouvé différentes approches
pour répondre à ces questions :
que le paradigme
d’un Univers évolutif, ayant vécu Les arts
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
Michelangelo Buonarroti (1475-1564), Chapelle Sixtine, Roma, 1508-1512Différents modèles d’Univers vont permettre ou non Différents modèles d’Univers vont permettre ou non
l’apparition lente de la vie l’apparition lente de la vie
facteur facteur
échelle échelle
La vie ne peut se développer
dans un univers que si ses
conditions initiales le permettent
14 14
temps temps
Malgré quelques erreurs, l’essentiel est-il juste ? Observation des particules élémentaires: LHC
Abraham Ortelius, Carte du monde, 1570Observation des particules élémentaires: LHC CERN-LHC-ATLAS in operation from 2008 on
« Ce qu’il y a de plus incompréhensible
au sujet de l’Univers,
c’est qu’il semble compréhensible »
Albert Einstein (1879-1955)Albert Einstein Out of my late years Philosophical Library New York 1950
Admirer (arts)
Comprendre (sciences)
Deux questions essentielles
De la vie ailleurs que sur Terre ?
L’Univers ? Origine du Big Bang ?
Nature de la matière sombre ?
Nature de l’énergie sombre ?
La Cène ou Le dernier repas
Leonardo da Vinci (1452 – 1519) Santa Maria delle Grazie, Milano, Italia (1495 – 1498)D’où venons nous Que sommes nous Où allons nous D’où venons-nous ? Que sommes-nous ? Où allons-nous ? Paul Gauguin - 1898 - Museum of Fine Arts - Boston
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