Recettes pour un Univers chaud : Big Bang, Planck et tout le bazar - Christian Barbier

Recettes pour un Univers chaud :
Big Bang, Planck et tout le bazar…

             Christian Barbier
           Bruxelles, 12 mars 2015

0.
    Les bases d’une bonne recette

Pour faire une bonne recette, il faut :

     Une cuisine : l’espace-temps

     Des ingrédients : les particules élémentaires

     Une sauce liante : les interactions

     Une procédure : le modèle standard du Big-Bang

Et n’oublions pas :

     Il faut goûter : confrontation avec les observations

… et le cuisinier?

1.
La cuisine : l’espace-temps

Un peu de Relativité générale?
                                                                   A. Einstein
Selon la conception moderne (Einstein), l’espace-temps :

       C’est tout ce qui se passe (l’ensemble des événements)

       N’est PAS le « grand théâtre » immuable où se déroule la physique

       Participe à la physique!

       N’est pas nécessairement plat (courbure  gravitation)

       N’est pas nécessairement statique

Newton : les particules sont défléchies par le champ de gravitation créé par des
corps massifs

Einstein : les particules se déplacent librement dans un espace-temps courbé
par les agrégats de masse-énergie

        Les équations du champ de gravitation selon Einstein :

                      R – ½ R g = 8G/c4 T

                      Géométrie           Sources

L’expansion de l’Univers
                                                        G. Lemaître   G. Friedmann

Il existe des solutions NON STATIONNAIRES

La distance entre objets varie, mais ne résulte pas d’un déplacement de
ces objets dans l’espace. C’est une dilatation de l’espace sur lui-même

Une faune de solutions!

L’hypothèse du Big Bang

                                                       G. Lemaître

Si l’on remonte le temps, on aboutit à un état singulier

       correspondant à la naissance (≠ création!) de l’Univers

       infiniment concentré ( = )

       infiniment chaud (T = )

       « explosif » (vitesse d’expansion = )

Le BIG BANG !!!
                                       F. Hoyle

2.
Les ingrédients : les particules élémentaires

Le modèle standard des particules

3.
La sauce : les interactions

Les interactions fondamentales

   Interaction      Portée     Intensité         Acteurs           Charge sensible
                                relative
Gravitationnelle    Infinie       10-38    Toutes les particules    Masse, énergie
Electromagnétique   Infinie       10-2      Tous les fermions      Charge électrique
                                            sauf les neutrinos
Faible              10-15 cm     10-7       Tous les fermions        Charge faible
Forte               10-13 cm      1          Tous les quarks       Charge de couleur

Des échanges de particules messagères

Interactions électromagnétique (gauche) et forte (droite) vues comme échanges, respectivement, de
                                   photons et gluons virtuels

      Interaction          Messager(s)         Masse        Charge        Spin   Durée de vie [s]
                                               [MeV]     électrique [e]
Forte                      Gluons (8)            0              0          1           
Electromagnétique            Photon              0              0          1           
Faible                 Bosons intermédiaires                               1          10-25
                                W+             81000          1
                                W-             81000          -1
                                Z0             93000          0
Gravitationnelle            Graviton             0             0           2            

Théories unifiées
   Considèrent les interactions fondamentales comme différentes facettes d’une
    même interaction.

   L’unification nécessite des énergies colossales.

   Les interactions se différencient (brisures de symétrie) au fur et à mesure que
    les énergies mises en jeu décroissent.

Et « notre » boson?
   Nécessaire pour rendre compte de la masse des particules!

   La masse résulte de l’interaction des particules avec un boson introduit ad hoc
    par Brout, Englert et Higgs en 1964 (boson BEH), puis mis en évidence au CERN
    en juillet 2012.

   Analogies :

    o          Pour les physiciens : la masse effective de l’électron dans un cristal
               conducteur

    o          Pour moi : marcher dans la neige

    R. Brout         F. Englert       P.W. Higgs

« Notre » Prix Nobel!

4.
La procédure : le modèle standard du Big Bang
                      -
      Quelques (bons) morceaux choisis

Un Univers CHAUD!
                    G. Gamow

                               21

Les étapes de l’évolution cosmologique

L’ère de Planck

Ordres de grandeur : ce sont les unités de Planck :

                 t = 10-43 s, d = 10-33 cm,  = 1094 g/cm3, T = 1032 K

Ère inconnue, nécessite une théorie quantique de la gravitation, inexistante

L’espace-temps est une « mousse quantique »

Combien de dimensions?

Les galaxies résulteraient de fluctuations à l’échelle d = 10-33 cm, dilatées
 lors de l’inflation.

L’inflation

Prend place peu après l’ère de Planck            A. Guth   A. Lindt      P. Steinhardt

« Poussé » par un champ appelé inflaton, l’Univers se dilate d’un facteur 1060
 en un temps extrêmement bref (10-32 s).

Toute l’énergie (colossale) emmagasinée dans l’inflaton est convertie en
 quarks, leptons et bosons

L’inflation est la « mèche » qui « allume » l’Univers primordial chaud

L’inflation permet de rendre compte :

    oDe la platitude de l’Univers

    oDe l’absence de monopôles magnétiques
    oDu spectre des fluctuations à l’origine des galaxies

…. Un fluide bizarre
  Encore un peu de maths : la constante cosmologique

    Equations du champ AVEC constante cosmologique :

               R – ½ (R -2) g = 8G/c4 (T + … )

                      R – ½ R g = 8G/c4 T’

= Equations du champ originales, mais où la constante cosmologique apparaît comme
  un fluide de densité CONSTANTE et de pression NEGATIVE.

Ce fluide crée une gravitation répulsive, c’est le moteur de l’inflation.

SANS inflation

AVEC inflation

Un bouillon de particules dans un bain de lumière
Univers primordial

       Très chaud et dense
       Dominé par les particules élémentaires et les bosons
       Très simple
       La plupart du temps en équilibre thermodynamique
       Opaque

                                   Transitions de phase
                                   Annihilations a  a  2   lorsque kT < mac2
                                   Découplages lorsque  < taux d’expansion
                                   Structuration (galaxies)

Univers actuel                       Un système non-structuré :
                                        le bureau d’A. Guth

       Très froid et dilué
       Dominé par l’énergie et la matière noires
       Baignant dans des fonds d’ondes gravitationnelles, de photons et
        de neutrinos
       Complexe
       Transparent

La nucléosynthèse cosmologique
Il existe une mince tranche de températures et de temps (t = 3 min, T = 109 K)
durant laquelle protons et neutrons fusionnent pour former de l’hélium.

Le fond diffus de rayonnement

Jusqu’à t = 300 000 ans, T = 4000 K, matière et rayonnement sont en équilibre.

L’Univers est alors opaque.

Après, le rayonnement ne possède plus suffisamment d’énergie pour rester
en équilibre et se découple. Il continue à se « refroidir » jusqu’à une température
actuelle de 2.7 K. L’Univers devient transparent.

Ce sont les photons les plus anciens que l’on puisse observer.

4.
On teste le menu?

Loi de Hubble
                                   V. Slipher   E. Hubble    M. Humason

         Virgo
    50 000 a.l.
    1200 km/s

Corona Borealis                                   V=Hd
    940 000 a.l.
   21 500 km/s
                                           (H  70 km/s.Mpc)

        Virgo
   50 000 a.l.
   1200 km/s

C’est la preuve observationnelle
   de l’expansion de l’Univers

                                                            32

Le diagramme de Hubble - Sandage

                                   E. Hubble

                                   A. Sandage

L’observation des SNIa

 S. Perlmutter

  B. Schmidt

   A. Riess

Prix Nobel 2011

Un Univers en expansion accélérée ….

… suffisamment vieux ….

… mais dominé par le noir!!!

…. L’énergie du vide
                                                                E. Gunzig

Le vide du physicien est l’état d’énergie minimale d’un système (particule,
champ)

Ce n’est PAS l’état d’énergie nulle

C’est même un fourmillement d’événements!

Une nouvelle crise!

Les physiciens théoriciens peuvent estimer la valeur de la densité
d’énergie du vide, et trouvent :

                     théor) c2 ≈ 2 10110 ergs/cm3

L’observation donne :

                        obs) c2 ≈ 2 10-10 ergs/cm3

Le paradoxe de Nancy Kerrigan

      « Why me, why now? »
[Nancy Kerrigan, Detroit, 6 Jan. 1994]

La nucléosynthèse cosmologique
Matière observable = ¾ H + ¼ He + éléments plus lourds (C, O, etc)

Une partie de He (4-5 %) et les éléments plus lourds sont « cuisinés »
dans le cœur des étoiles

Seule une nucléosynthèse cosmologique (t = 3 min, T = 109 K) est capable
de rendre compte de l’abondance en hélium.

Le fond diffus de rayonnement

                           R. Dicke

Coup de chance et injustice

                                 Prix Nobel 1978

        R. Wilson   A. Penzias

Les anisotropies du fond de rayonnement :
                le satellite COBE (1989)

G. Smoot           J. Mather

       Prix Nobel 2006

La symphonie cosmique
                            
         Tn    a lm Ylm n                  !!!
                    lm

                +                    +
    l=0                     l=1                     l ≥2
T = 2.728 K              T = 1 mK                T = 1 µK

                                         Taille angulaire décroissante

All Right Now
    (Free)

Taille angulaire décroissante
Anisotropies primaires :          Interaction avec des sur-densités                 Ondes sonores
 (avant le découplage)                      (Sachs-Wolfe)                    déclenchées lors de l’inflation

Anisotropies secondaires :           Interactions avec H et He ionisés lors de la formation des premières étoiles,
   (après le découplage)        avec des électrons chauds présents dans les amas de galaxies (Sunyaev-Zeldovich)…

Tous ces effets sont influencés par :
la composition de l’Univers, l’énergie noire,         le mécanisme inflationnaire,…

Historique…Bref rappel…

                       Prix Nobel
                          1978
                     Penzias Wilson

                       Prix Nobel
                          2006
                     Smooth & Matter

Le rayonnement cosmique de fond vu
           par WMAP

 H0 = 71 km/s/Mpc        Age = 13.7 109 ans
 4% de matière visible   23% de matière sombre
                         73% d’énergie sombre

Lancé avec Herschel le 14 mai 2009

Planck : à l’écoute de la symphonie cosmique

PLANCK – mieux que COBE et WMAP

   WMAP: -T comme COBE
         - résolution angulaire 30 fois COBE
                  600 nm         1 mm
   WMAP
   PLANCK: - T dix fois mieux que WMAP…
           - résolution 3 fois mieux que WMAP
           - et beaucoup plus large couverture en
             fréquence…

   WMAP et PLANCK à L2 (WMAP depuis 2003!)

Planck à CSL: 23 avril 2008 – 18 février 2009

L’UNIVERS….après 15 mois d’observation de PLANCK

       Age 13.8 My H0 = 67.15 km/s/Mpc
       Matière 4.9% Noire 26.8% Energie 68.3%

Eléments lourds:
                0.04%                Matière
  ~ 95%                              Ordinaire:
INCONNU                              4.9%
                            Neutrinos:
                            0.58%

           5%                          Etoiles:
                                       0.61%

68%
          27%                          H et He:
                                       3.67%

                            Matière Noire: 26.8%

                Energie Noire:
                68.3%

Premiers résultats de Planck….RESUME

Pas de Révolution!

Modèle BB chaud…OK !!!!

Quelques problèmes « mineurs » mais à résoudre:
- Légère asymétrie N-S
- Tache inexpliquée…
- Légère différence pour les éléments larges

2014-2015….résultats incluant toutes les
observations (HFI+LFI) et on l’espère des
mesures de la POLARISATION

Des questions?